面试 JVM 八股文十问十答第七期

作者：程序员小白条，个人博客

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1）逃逸分析（Escape Analysis）

逃逸分析是一种编译器优化技术，用于分析并确定在程序运行时，对象的作用域是否会超出创建它的方法或线程。如果一个对象不会逃逸到方法或线程之外，那么其他线程可能无法访问到这个对象，因此可以对这个对象进行一些特定的优化，例如：

栈上分配：将对象直接分配在栈上，而不是堆上，这样可以减少垃圾回收的压力，因为栈上的对象随着方法的退出而自动销毁。
同步消除：如果确定一个对象不会逃逸，那么对这个对象的同步操作就可以被安全地消除，因为其他线程无法访问到这个对象。
标量替换：如果一个对象不会逃逸，那么可以将这个对象拆分为若干个基本类型的变量来存储，这样可以减少对象的创建和销毁开销。

逃逸分析在Java虚拟机（JVM）中是一个可选的优化，不是所有的JVM都实现了这个特性，而且它的效果也受到具体实现和运行环境的影响。

2）指令重排（Instruction Reordering）

指令重排是指编译器或处理器为了优化程序性能，在不改变程序语义的前提下，改变程序中指令的执行顺序。指令重排可以减少流水线停顿，提高处理器的并行度。然而，指令重排可能会影响多线程程序的正确性，因为在多线程环境下，指令的执行顺序可能会影响线程间的同步和数据依赖。

为了保证多线程程序的正确性，Java内存模型（JMM）定义了happens-before原则，确保在不同线程中对共享变量的读写操作具有一定的顺序性。此外，Java提供了volatile关键字和synchronized关键字来限制指令重排，保证特定代码块的执行顺序。

3）为什么Java要分老年代和新生代？

Java中的堆内存分为新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation），这种划分是为了提高垃圾回收（GC）的效率。

新生代：新生代是堆内存中用于存放新创建的对象的区域。由于大多数对象都是短生命周期的，新生代采用复制算法（如标记-清除-整理算法）进行垃圾回收，这种算法在对象存活率较低时效率很高。新生代又分为Eden空间和两个Survivor空间（通常称为From和To）。
老年代：老年代用于存放生命周期较长的对象，这些对象在经过多次新生代的垃圾回收后仍然存活。老年代的垃圾回收通常采用标记-清除或标记-整理算法，这些算法在对象存活率较高时效率更高。

将堆内存分为新生代和老年代的好处包括：

提高垃圾回收效率：新生代的垃圾回收频率高于老年代，但由于新生代中的对象大多数是短生命周期的，因此新生代的垃圾回收速度快，效率高。
减少全堆垃圾回收的次数：通过将堆内存分为两个区域，可以减少全堆垃圾回收的次数，因为全堆垃圾回收通常比局部垃圾回收耗时更长。
优化内存使用：新生代和老年代的垃圾回收算法不同，可以根据对象的生命周期特性选择最合适的垃圾回收策略，从而优化内存的使用。

总之，新生代和老年代的划分是Java虚拟机为了提高垃圾回收效率和优化内存使用而采取的一种策略。

4）为什么Java8移除了永久代，加了元空间？

在Java 8之前，Java虚拟机（JVM）使用永久代（Permanent Generation，简称PermGen）来存储类的元数据、静态变量、常量池等。永久代的大小在JVM启动时就已经固定，而且它的大小很难调整，这导致了一些问题：

内存溢出问题：如果应用程序加载了大量的类，可能会导致永久代内存溢出（OutOfMemoryError）。
垃圾回收效率低：永久代的垃圾回收效率不高，因为它通常包含大量不会被回收的类和常量。
难以预测的内存使用：由于永久代的大小固定，很难预测应用程序在运行时对永久代内存的需求。

为了解决这些问题，Java 8中移除了永久代，引入了元空间（Metaspace）。元空间使用本地内存（Native Memory）来存储类的元数据，这意味着：

动态调整大小：元空间的大小不再固定，可以根据需要动态增长，减少了内存溢出的风险。
提高垃圾回收效率：元空间中的垃圾回收效率更高，因为它只包含真正需要回收的类和常量。
更好的内存管理：元空间使用本地内存，可以更有效地管理内存，避免了永久代的一些限制。

5）为什么新生代又要分S1、S2和Eden？

新生代分为Eden空间和两个Survivor空间（通常称为S1和S2），这种划分是为了优化新生代的垃圾回收效率。新生代的垃圾回收通常采用复制算法，这种算法的基本思想是将可用内存分为两个半区，每次只使用其中一个半区。当进行垃圾回收时，将存活的对象复制到另一个半区，然后清空当前半区的所有对象。

Eden空间用于存放新创建的对象，而S1和S2则用于存放从Eden空间复制过来的存活对象。每次垃圾回收时，Eden空间和其中一个Survivor空间（假设是S1）的对象会被检查，存活的对象会被复制到另一个Survivor空间（S2）。这样，Eden空间和S1空间就可以被清空，而S2空间则存放了所有存活的对象。

这种划分的好处包括：

减少垃圾回收时的内存移动：由于每次只复制存活的对象，而不是所有对象，因此减少了垃圾回收时的内存移动量。
提高垃圾回收效率：新生代中的对象大多数是短生命周期的，因此存活的对象比例通常很低，复制算法的效率在这种情况下非常高。
避免内存碎片：复制算法可以有效地避免内存碎片问题，因为每次垃圾回收都会整理内存。

6）你知道有哪些垃圾回收算法？

垃圾回收算法是用于自动管理内存的算法，它们用于识别和回收程序不再使用的内存对象。以下是一些常见的垃圾回收算法：

标记-清除（Mark-Sweep）算法：这是最基本的垃圾回收算法之一。它分为两个阶段：标记阶段，遍历所有可达对象并标记它们；清除阶段，回收未被标记的对象所占用的内存空间。这种算法的缺点是会产生内存碎片。
复制（Copying）算法：这种算法将可用内存分为两个半区，每次只使用其中一个半区。当进行垃圾回收时，将存活的对象复制到另一个半区，然后清空当前半区的所有对象。这种算法避免了内存碎片，但会浪费一半的内存空间。
标记-整理（Mark-Compact）算法：这种算法结合了标记-清除和复制算法的优点。在标记阶段，它遍历所有可达对象并标记它们；在整理阶段，它将存活的对象移动到内存的一端，然后清除边界以外的所有内存。这种算法避免了内存碎片，并且不会浪费内存空间。
分代收集（Generational Collection）算法：这种算法基于对象生命周期的不同，将堆内存分为新生代和老年代。新生代采用复制算法，老年代采用标记-清除或标记-整理算法。这种算法利用了不同生命周期对象的特性，提高了垃圾回收的效率。
增量收集（Incremental Collection）算法：这种算法将垃圾回收过程分为多个小步骤，在每一步之间允许应用程序继续执行。这样可以减少垃圾回收对应用程序的影响，但会增加算法的复杂性。
并发收集（Concurrent Collection）算法：这种算法允许垃圾回收线程和应用程序线程并发执行，从而减少垃圾回收对应用程序的影响。并发收集算法通常用于老年代的垃圾回收。
并行收集（Parallel Collection）算法：这种算法使用多个线程并行执行垃圾回收，以加快垃圾回收的速度。并行收集算法通常用于新生代的垃圾回收。

7）三色标记有听过吗？

三色标记（Tri-color Marking）是一种用于并发垃圾回收的标记算法。它通过将对象标记为三种颜色来跟踪对象的可达性，这三种颜色分别是：

白色：表示对象尚未被垃圾回收器发现，即未被标记为可达。
灰色：表示对象已经被垃圾回收器发现，但其引用尚未被完全处理。
黑色：表示对象及其所有引用都已经被垃圾回收器处理完毕。

三色标记算法的基本过程如下：

初始时，所有对象都是白色的。
垃圾回收器从根对象（如全局变量、活动线程的栈帧等）开始，将它们标记为灰色，并开始遍历它们的引用。
当处理完一个灰色对象的所有引用后，将其标记为黑色，并将它引用的对象标记为灰色。
重复上述过程，直到没有灰色对象为止。此时，所有白色对象都是不可达的，可以被回收。

三色标记算法的关键在于，它允许垃圾回收器和应用程序线程并发执行，只要保证没有新的白色对象被黑色对象引用，就可以保证算法的正确性。为了防止这种"错失"（missed）情况，通常需要使用写屏障（write barrier）技术来跟踪对象引用的变化。

8）young gc、old gc、full gc、mixed gc 的区别？

在Java虚拟机（JVM）中，垃圾回收（GC）根据堆内存的不同区域和垃圾回收的范围，可以分为以下几种类型：

Young GC（新生代垃圾回收）：也称为Minor GC，它只针对新生代进行垃圾回收。当新生代的Eden空间满时，会触发Young GC。在Young GC中，存活的对象会被从Eden空间和Survivor空间（From）复制到另一个Survivor空间（To），如果对象的年龄达到一定阈值或者Survivor空间不足，对象会被晋升到老年代。
Old GC（老年代垃圾回收）：也称为Major GC，它只针对老年代进行垃圾回收。老年代的垃圾回收通常采用标记-清除或标记-整理算法。Old GC的触发条件通常是老年代空间不足或者达到了垃圾回收的阈值。
Full GC（全局垃圾回收）：Full GC是对整个堆内存（包括新生代、老年代和永久代/元空间）进行垃圾回收。Full GC的触发条件包括老年代空间不足、永久代/元空间空间不足、System.gc()调用等。Full GC通常比Young GC和Old GC更耗时，因为它需要处理更多的内存区域。
Mixed GC（混合垃圾回收）：这是G1垃圾回收器特有的垃圾回收类型。Mixed GC不仅回收新生代，还会回收一部分老年代的区域。G1垃圾回收器将堆内存划分为多个区域（Region），Mixed GC会根据垃圾回收的效率和目标停顿时间，选择一部分老年代区域进行回收。

每种垃圾回收类型都有其特定的触发条件和目标，它们共同协作以保持应用程序的内存使用效率和性能。

9）Young GC 触发条件是什么？

Young GC（新生代垃圾回收）的触发条件主要是新生代的Eden空间满了。当新创建的对象分配内存时，如果Eden空间没有足够的连续内存来满足分配请求，就会触发Young GC。在Young GC过程中，垃圾回收器会执行以下操作：

标记Eden空间和Survivor空间（From）中的存活对象。
将存活的对象复制到另一个Survivor空间（To）。
清空Eden空间和Survivor空间（From）中的所有对象。
如果Survivor空间不足以存放所有存活对象，或者某些对象的年龄达到了晋升阈值，这些对象会被晋升到老年代。

Young GC通常执行得比较频繁，因为新生代中的对象生命周期较短，很多对象在经过一次或几次Young GC后就会变成垃圾。

10）Full GC 触发条件有哪些？

Full GC（全局垃圾回收）是对整个堆内存（包括新生代、老年代和永久代/元空间）进行垃圾回收的过程。Full GC的触发条件通常包括以下几种情况：

老年代空间不足：当晋升到老年代的对象大小超过了老年代的可用内存时，会触发Full GC。
永久代/元空间空间不足：在Java 8之前，永久代空间不足会触发Full GC；在Java 8及以后，元空间空间不足也会触发Full GC。
System.gc()调用 ：虽然不推荐，但应用程序可以通过调用System.gc()来建议JVM执行Full GC。
大对象直接分配到老年代：如果创建了大对象（大小超过-XX:PretenureSizeThreshold设置的阈值），并且直接分配到老年代，可能会导致老年代空间不足，从而触发Full GC。
Young GC后老年代空间不足：在Young GC后，如果晋升到老年代的对象大小超过了老年代的可用内存，会触发Full GC。
CMS GC失败：在使用CMS（Concurrent Mark-Sweep）垃圾回收器时，如果并发收集失败（concurrent mode failure）或者晋升失败（promotion failed），会触发Full GC。
JVM参数设置 ：某些JVM参数设置也可能导致Full GC，例如设置-XX:+UseParallelOldGC（使用并行老年代垃圾回收器）时，可能会导致更频繁的Full GC。

Full GC通常比Young GC和Old GC更耗时，因为它需要处理更多的内存区域，因此在设计和调优应用程序时，应尽量避免频繁的Full GC。

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