JVM的内存管理、垃圾回收、类加载和参数调优

前言

在面试中通常会考察JVM判断候选人的技术热情，对于Javaer还是比较重要的，整理一下JVM相关的知识点，包括JVM的内存管理、垃圾回收、类加载机制、JVM调优参数

参考资料：

JavaGuide：Java内存区域详解（重点） | JavaGuide

二哥面渣逆袭：JVM面试题，54道Java虚拟机八股文（2.3万字113张手绘图），面渣逆袭必看👍 | 二哥的Java进阶之路

一、内存管理

1. 讲一下JVM内存区域是怎么划分的

JVM将内存区域划分为：堆、方法区、程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈。

其中线程共享 的是堆和方法区、线程私有的是程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈

程序计数器又称PC寄存器，指向当前线程所执行的字节码的行号，主要用于分支跳转、方法调用、线程切换和恢复

虚拟机栈用于执行Java方法，每次调用一个Java方法，就会将一个栈帧入栈，栈帧包括方法的局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。类的静态方法的局部变量表没有this的引用。操作数栈是用于保存临时变量

本地方法栈用于执行native方法，同虚拟机栈一样，在执行方法时会创建栈帧

堆是JVM中最大的一块内存区域，被划分为Young Generation和Old Generation，Young Generation又可以划分为Eden区和s0、s1区

方法区存储已被JVM加载的类信息、静态变量和即时编译器编译后的代码缓存等。在Java7之前，方法区由永久代（PermGen）实现，在Java7，静态变量和字符串常量池被放到了堆上，从Java8开始，方法区由元空间（MetaSpace）实现。之所以用元空间替代永久代，是因为永久代受限于JVM内存大小，容易导致OOM，而元空间只受限于机器的内存大小

2. 在new一个对象时会发生什么

首先会检测该类是否被加载、解析和初始化，如果尚未，则执行类加载

第二步会为对象分配内存。内存分配有两种方式：一是指针碰撞 ，即堆内存被规整的分为已分配和空闲两部分，其间有一指针，在需要分配内存时将指针向后移动；二是空闲列表 ，即堆内存存在很多内存碎片，需要维护一个空闲列表，每次分配内存时找到足够大小的内存块并更新列表。

内存分配过程中可能出现多线程的抢占问题，如果开启TLAB （Thread Local Allocation Block），会为每一个线程保留一小块内存分配缓冲区，避免抢占，如果未开启TLAB或者TLAB空间不足，则会使用CAS+失败重试的机制保证更新操作的原子性

随后会完成初始化，分配0值

再生成对象头，对象头包含类的元数据信息、对象的哈希码以及对象的GC年龄信息等

随后执行init方法，将变量按照程序员的意愿赋值，这样一个对象就创建完成了

3. 一个对象的内存布局如何

一个对象在内存中由三部分构成，分别是：对象头、实际数据和对齐填充

对象头可以由三部分构成

第一部分是对象运行时的信息，包括对象的哈希码、GC年龄信息、线程持有的锁、锁状态标志等信息
第二部分是类型指针，指向类的元数据信息，也就是Class对象，类型指针可以由8字节被压缩为4字节（在JDK8默认开启）
第三部分只有数组拥有，用于记录数组长度

实际数据是指对象实际的成员变量值，会被重排对齐以提高内存访问的速度

对齐填充是指整个对象的大小需要是8字节的倍数，缺失的部分需要填充额外的字节。对齐的意义是避免跨缓存行访问

4. 如何访问一个对象

访问对象的方式有两种：

一种是使用句柄，也就是局部变量表的reference指向的是堆中句柄池的一个句柄地址，句柄会指向实际的对象信息和方法区的类信息，优点是对象被移动时不需要改变reference的值，只需要修改句柄的值

一种是直接引用，也就是局部变量表的reference指向的是实际堆中的对象信息，优点是访问速度快，减少了一次指针定位的时间开销

5. 对象有几种引用类型

对象有四种引用类型

使用new创建的引用类型为强引用， 强引用（StrongReference） 除了不可达会被GC回收，就算内存不足也不会被回收

而 软引用（SoftReference） 在内存不足时会被回收

弱引用（WeakReference） 无论内存是否充足，在下一次垃圾回收就会被回收

虚引用（PhantomReference） 必须与 引用队列（Reference Queue） 关联起来，当对象被回收时，如果发现有虚引用，会将该引用加入到引用队列，故可以通过判断引用队列是否加入该虚引用来了解垃圾回收的过程

一般来说用软引用比较多，用于加速垃圾回收的速度，防止OOM

6. 堆区分配内存和回收原则是怎么样的

新建的对象会优先在Eden区分配，如果Eden区空间不足，会根据JVM的空间分配担保机制触发Minor GC或Full GC，把对象从Eden区转移到Survior区和OldGen

空间分配担保机制

Minor GC之前会检查OldGen最大可用连续空间大于YoungGen所有对象的空间

如果是，则会触发一次Minor GC

如果不是，则会根据参数HandlePromotionFailure，该参数为true且OldGen最大可用连续空间大于历次晋升到OldGen的平均大小时，则触发一次Minor GC，否则则触发一次Full GC

如果Eden区的对象在GC后存活，则会移动到Survior区，并且GC年龄加一，之后每次在GC中存活都会使GC年龄加一，如果年龄达到一个阈值（默认15，最大15，因为记录年龄的空间只有4位），则会被移动到OldGen。该年龄阈值可以通过MaxTenuringThreshold配置，在JVM运行中可能动态更改，当积累的某个年龄所占百分比超过了Survior区的TargetSurviorRatio（默认为50）时，年龄阈值会更改为该年龄和MaxTenuringThreshold之间更小的值

除此之外，大对象会直接分配到OldGen，在G1垃圾回收器中，根据G1HeapRegionSize（堆大小）和G1MixedGCSizeTheresholdPercent（占堆大小的阈值）判断哪些是需要进入OldGen的大对象，在Parrellel Scavenge垃圾回收器中，由虚拟机根据内存情况和历史数据动态决定

二、垃圾回收

1. 怎么判断对象已经死亡

一种是使用引用计数法，当对象每被引用一次，计数加一，计数为0说明对象不再被使用。无法解决循环依赖问题

一种是使用可达性分析算法，从一系列的"GC Roots"出发，向下搜索所有引用到的类，形成引用链，不被引用链关联的类说明需要被回收

GC Roots一般为所有必须活跃的对象，比如：虚拟机栈中引用的对象、本地方法栈中引用的对象、方法区常量引用的对象、方法区中类静态属性引用的对象等

2. 如何判断一个类是无用的

当一个类满足三个条件

类的所有实例都被GC
类的ClassLoader被GC
类的Class不被引用无法通过反射访问

则说明该类是无用的类，JVM可以对其进行回收

3. 垃圾回收算法有哪些

垃圾回收算法主要有以下三种：

标记-清除：标记出需要被回收（或不需要回收）的对象，并进行统一回收。缺点：效率不高，容易产生内存碎片
标记-复制：将内存分为相同的两块，标记出需要被回收（或不需要回收）的对象，将存活的对象复制到另外一块。缺点：可利用内存减半，对象数量多时复制效率低下
标记-整理：标记出需要被回收（或不需要回收）的对象，将存活对象整理到一侧

通常对新生代使用标记-复制算法，付出少量对象的复制完成每次回收，对老年代使用标记-整理算法

4. 垃圾回收器有哪些

Serial：单线程执行垃圾回收，回收期间会STW（Stop The World），在新生代使用标记-复制，老年代版本叫做Serial Old，使用标记-整理
ParNew：Serial的多线程版，在新生代执行标记-复制进行垃圾回收，通常与CMS搭配使用
Parrallel Scavenge：追求高吞吐量（总停顿时间时间尽可能少），自适应调节暂停时间，通常与老年代版本Parrallel Old搭配使用
CMS ：CMS全称Cocurrent Mark Sweep，也就是并发标记清除，目标是低停顿（单次停顿时间尽可能少），先对root进行初始标记 ，用户线程和GC线程同时运行并进行并发标记 ，为修正用户线程运行导致的不一致而进行重新标记 ，最后在进行并发清除
G1 ：G1全称Garbage First，会维护优先列表，回收价值更高的区域；能以较高概率满足低停顿同时高吞吐；利用分代收集，无需与其它收集器配合；JDK9开始默认是G1；整体基于标记-整理，局部基于标记-复制；先对GC Roots进行初始标记 ，然后与应用并发，进行并发标记 ，随后进行最终标记 ，最后筛选回收

5. 吞吐量和低停顿为什么是矛盾的

高吞吐指运行用户代码的时间占CPU总运行时间的比值尽可能高，为了追求高吞吐量，会降低GC回收频率，当堆内存达到一定比例才进行回收，同时单次GC时间更长

低停顿指单次GC暂停时间尽可能短，那就需要及时、频繁地进行回收，导致暂停总时间延长

三、类加载

1. Class文件长什么样

Class文件前四个字节为魔数（Magic Number），固定为0xCAFEBABE，标识是JVM可接收的文件
然后是Class文件的大版本号 和小版本号，大版本号比如Java8就是8
常量池数量 和常量池，保存类和接口的全限定名、方法和字段的名称和描述符
访问标志，表示是public/abstract/final等信息，是否为接口或枚举，以及父类方法的调用方式等
当前类 、父类和实现的接口集合
字段数量 和字段表
方法数量 和方法表
属性数量 和属性表

2. 类的加载过程是怎么样的

类的加载过程包括：加载->链接->初始化，其中，链接包括：验证->准备->解析

加载是由类加载器完成的，根据全类名获取该类的字节流，转换为方法区的数据结构，在内存中生成Class对象，作为访问入口

验证是确保Class文件符合约束，包括文件格式验证（魔数、版本号等）、元数据验证（类的继承关系等）、字节码验证（代码语法）、符号引用验证（引用的方法、字段的存在性和合法性等）

准备是指为类的静态变量分配内存和设置初始值

解析是指将符号引用转换为直接引用的过程

初始化 是指执行初始化方法clinit()，之后JVM才真正地执行字节码。当类被主动引用时，会触发初始化，包括new一个对象、通过反射对类进行调用、使用类的静态变量或方法、子类被引用等

3. 类加载器是什么

类加载器的作用是将.class文件加载到JVM中成为Class对象，每一个Java类都有对应的类加载器，数组类的类加载器与数组元素的类加载器相同

除了BootstrapClassLoader是由C++实现的，其它类加载器都是继承自ClassLoader的，

BootstrapClassLoader 是最顶层的加载器，用于加载%JAVA_HOME%/bin下的JDK核心类库
ExtensionClassLoader 用于加载%JRE_HOME%/bin/ext下的jar包，和系统变量java.ext.dirs指定路径下的所有类
AppClassLoader是面向用户的类加载器，加载classpath下的jar包和类

4. 什么是双亲委派模型

双亲委派模型是指类加载器会先将加载请求传递给父加载器，当父加载器无法加载时，再由自己执行加载

双亲委派模型实现了两个安全目标，一个是避免类的重复加载，一个是避免类的核心API被修改

通常继承ClassLoader可以重写loadClass()和findClass()方法，其中loadClass()方法中实现了双亲委派模型去加载类，findClass()根据二进制名查找类

如果想要绕过双亲委派模型，可以选择重写loadClass()，但是Java仍然具备更底层的安全机制，如在preDefineClass()方法进行类名校验，防止恶意代码定义或加载伪造的核心类

四、JVM参数

1. 堆内存

指定堆内存最小值-Xms，指定堆内存最大值-Xmx
指定新生代内存最小大小和最大大小：-XX:NewSize和-XX:MaxNewSize，前两者一致则-Xmn<young size>[unit]如-Xmn256m
指定永久代初始大小和最大大小：-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize，指定元空间触发Full GC的阈值和元空间最大大小：-XX:MetaspaceSize和-XX:MaxMetaspaceSize

2. 垃圾回收

2.1 垃圾回收器选择

使用串行垃圾收集：-XX:+UseSerialGC
使用并行垃圾收集：-XX:+UseParallelGC
使用CMS垃圾收集器：-XX:+UseConcMarkSweepGC
使用G1垃圾收集器：-XX:+UseG1GC

2.2 GC信息打印

打印基本GC信息：-XX:+PrintGCDetails和-XX:+PrintGCDateStamps
打印对象分布：-XX:+PrintTenuringDistribution
打印堆数据：-XX:+PrintHeapAtGC
打印引用相关处理信息：-XX:+PrintReferenceGC
打印STW时间：-XX:+PrintGCApplicationStoppedTime

3. 处理OOM

启用OOM转储文件：XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
OOM转储文件路径：XX:HeapDumpPath=./java_pid<pid>.hprof
OOM时启用紧急命令：-XX:OnOutOfMemoryError="< cmd args >;< cmd args >"
避免长时间无效GC，设置GC开销超出限制：-XX:+UseGCOverheadLimit