深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（第3版）第二章知识点问答（21题）

1 运行时数据区域总览（名称 → 私有/共享 → 典型异常）

• 程序计数器（PC） → 线程私有 → （规范未定义 OOME）；记录下一条 将执行的字节码指令地址/偏移（执行 native 时可能无意义）。
• 虚拟机栈 → 线程私有 → StackOverflowError（栈深超限）；OutOfMemoryError（需要扩栈但内存不足）；一帧=局部变量表/操作数栈/动态链接/返回地址。
• 本地方法栈 → 线程私有 → 同上两类异常；为 native 方法服务。
• 堆 → 共享 → OutOfMemoryError: Java heap space（或 GC overhead limit exceeded）；存放对象实例/数组，GC 主要管理区域。
• 方法区（HotSpot: Metaspace） → 共享 → OutOfMemoryError: Metaspace；承载类元数据/运行时常量池/静态方法信息（JIT 代码在 Code Cache）。
• 运行时常量池 → 共享 （属方法区一部分）→ OutOfMemoryError（常伴随 constant pool 报文）；存字面量/符号引用等。
• 直接内存（NIO DirectBuffer） → 进程级共享 （堆外）→ OutOfMemoryError: Direct buffer memory；ByteBuffer.allocateDirect()/mmap 用于少拷贝 I/O。

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2 栈错误对比：StackOverflowError vs 栈相关 OutOfMemoryError

• 触发

  • SOE：深递归/极大方法嵌套导致栈深超限 （受 -Xss 影响）。
  • OOME(栈)：创建线程失败 （OS 线程/内存/进程限制）或单线程 -Xss 过大导致总内存不足 （常见报文 unable to create native thread）。

• 复现

  • SOE：小栈 -Xss256k + 递归方法死递归；
  • OOME(栈)：-Xss8m + 循环创建休眠线程直到失败。

• 排查

  • 看异常栈&-Xss；
  • jcmd <pid> Thread.print 看线程数/状态，核对 OS/容器限制（ulimit -u）。

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3 四类 OOM 的触发条件与首条线索

• Java heap space ：堆无法分配新对象（泄漏/短时分配暴涨/堆太小）→ 首看 GC 日志 与 heap dump。
• GC overhead limit exceeded ：大部分时间在 GC，回收极少 （近似 98%/2%）→ 首看 GC 日志确认症状，根因仍指向堆紧张。
• Metaspace ：类元数据空间耗尽（动态生类/类加载器泄漏）→ 先看 NMT 与 class loader stats。
• Direct buffer memory ：直接内存超上限或未释放 → 查 -XX:MaxDirectMemorySize 、allocateDirect 使用点与 NMT 的 NIO 类别。

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4 如何可靠复现 Metaspace OOM（思路）

• 做法 ：用 ByteBuddy/CGLIB/ASM 不断生成新类 ；每批使用新 ClassLoader 并把 Loader 放入 static List 强引用防卸载；运行时加 -XX:MaxMetaspaceSize=64m。
• 第一条排查线索 ：OOME: Metaspace 报错出现后，立刻 jcmd <pid> VM.native_memory summary 与 jcmd <pid> GC.class_stats / VM.class_loader_stats。
• 防护 ：① 复用 Loader/卸载前清所有强引用（含 TCCL/缓存/ThreadLocal）；② 设上限并监控 NMT 指标。

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5 运行时常量池 vs 字符串常量池（StringTable）

• 位置/时机

  • 运行时常量池 ：在方法区（JDK8+ 为 Metaspace）；随类加载/链接建立。
  • 字符串常量池 ：JDK7+ 在堆 （JDK6 在 PermGen）；JVM 启动即有，运行期通过字面量/intern() 填充。

• 典型 OOM

  • 常量池：OOME: Metaspace（或常量池相关文案）。
  • 字符串池（堆）：OOME: Java heap space（或 GC overhead）。

• 示例（施压 StringTable）

  while (true) UUID.randomUUID().toString().intern();

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6 new 对象的关键流程（6 步）

1. 类可用性检查 ：未加载/未初始化则触发 加载→链接（验证/准备/解析）→初始化。
2. 分配 ：优先在 TLAB （线程本地）用指针碰撞 ；不够时到共享堆用 CAS/加锁。
3. 清零：实例字段所在内存全部置 0（得默认值）。
4. 对象头 ：写入 Mark Word （哈希/锁标志/偏向/年龄）与 Klass 指针 （数组还写长度）。
5. 执行 <init> ：按继承层级构造；引用写入触发写屏障维护卡表。
6. 失败分支 ：分配失败→尝试 GC/扩堆；仍失败→ OOME: Java heap space。

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7 新生代/晋升/G1&ZGC

• Eden / S0 / S1 ：Young GC 时将 Eden+from 的幸存者复制到 to ，对象年龄+1 ，然后 from/to 互换。
• 三条晋升路径 ：① 到达 MaxTenuringThreshold ；② 动态年龄判定 （某年龄及以上占 Survivor 超阈值→直晋升）；③ 大对象 直接进老年代/巨型区（Parallel 的 PretenureSizeThreshold；G1 Humongous ≥ 半个 Region）。
• G1 ：Region 化 + 分代（Young/Mixed GC），复制晋升；Humongous 用一组连续 Region（通常计入 Old）。
• ZGC ：早期不分代 ，用染色指针+读屏障 并发重定位；JDK 21+ 可开启 -XX:+ZGenerational 引入分代，仍保持低停顿。

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8 OOM ↔ 关键参数/限制配对

1. Java heap space → -Xmx/-Xms（堆不足）；先看 GC 日志/heap dump。
2. GC overhead limit exceeded → 根因仍是 -Xmx 紧张（可临时 -XX:-UseGCOverheadLimit 获取证据）。
3. Metaspace → -XX:MaxMetaspaceSize（类元空间不足）；看 NMT/类加载器。
4. Direct buffer memory → -XX:MaxDirectMemorySize（直接内存上限）；看 NMT NIO。
5. unable to create native thread → OS/容器线程&内存限制（亦受 -Xss 影响）。

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9 Heap OOM 的最小闭环（三步）

1. 留证 ：-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=/var/heap.hprof -Xlog:gc*:file=/var/gc.log; 必要时 jcmd <pid> GC.heap_dump /tmp/heap.hprof。
2. 定位 ：MAT 看 Leak Suspects / Dominator Tree / Path to GC Roots；结合 GC 日志判断"泄漏"vs"分配暴涨"。
3. 处置 ：短期限流/减并发/小幅调 Xmx 、收紧缓存；长期修引用链/类加载器/缓存策略 并加 JFR/GC/NMT 监控。

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10（可选延伸）Safepoint 与"进入慢"

• 定义 ：在 GC/类卸载/去优化等全局操作前，JVM 要求所有 Java 线程停在带轮询的安全点 ，以便一致地枚举根并扫描。
• 进入慢的常见原因 ：① 紧凑长循环/大方法 缺少计数 Safepoint；② JNI Critical/长时间阻塞 I/O导致线程久不回到轮询点。
• 对策 ：开 -Xlog:safepoint 或 -XX:+PrintSafepointStatistics 定位；拆循环/开启 -XX:+UseCountedLoopSafepoints、缩短 JNI 临界区/改为可中断阻塞。

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11 String 不可变性的利与弊 & 高拼接实践

• 利 ：可放入常量池、可缓存 hashCode、天然线程安全，适合做 Map Key/跨线程共享。
• 弊 ：拼接/替换会生成新对象，循环中易分配放大→ GC 压力。
• 实践 ：循环中用 StringBuilder（预估容量） ；批量拼接用 StringJoiner/Collectors.joining ；流式写入 StringWriter/BufferedWriter；慎用 intern() 处理动态值。

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12 对象内存布局 & 访问方式

• 布局 ：对象头 （Mark Word + Klass 指针；数组还有长度 ）＋ 实例数据 （父类→子类，遵循对齐）＋ 对齐填充 （HotSpot 默认8 字节对齐）。
• Mark Word 含义 ：哈希、锁状态/偏向信息、GC 年龄等；64 位下开 Compressed Oops/Class Pointers 以32 位编码引用，降低内存占用/提高缓存友好。
• 访问方式 ：句柄 （引用→句柄表项→{对象地址, 类型元数据地址}，移动对象只改句柄，多一次间接 ）；直接指针 （HotSpot 采用，更快，移动需更新引用）。

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13 ThreadLocal 为何"看起来泄漏" & 防范

• 原因 ：ThreadLocalMap 的 key（ThreadLocal）是弱引用 、value 是强引用 ；当 key 被 GC 回收后，value 仍被线程强引用着，线程池中线程长寿导致 value 长期不清。
• 防范 ：① try{ set } finally{ remove(); }；② 线程池统一清理（装饰 afterExecute）并避免放大对象 ；必要时禁用/谨慎用 InheritableThreadLocal。

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14 用 NMT 排查 Metaspace/Direct Memory

1. 启动 ：-XX:NativeMemoryTracking=summary（或 detail）可选 -XX:+PrintNMTStatistics。

2. 在线：

   jcmd <pid> VM.native_memory baseline
   jcmd <pid> VM.native_memory summary.scale=MB
   jcmd <pid> VM.native_memory detail.diff

   关注：Class(=Metaspace) 、NIO(=Direct)、Thread/Code/Internal/Symbol。

3. 第一动作 ：Metaspace 涨→看 class_loader_stats /动态生类点；Direct 涨→核对 MaxDirectMemorySize ，定位 allocateDirect 持有链（Netty 可开 leakDetector）。

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15 直接内存 vs 堆（实务四句）

1. 管理者 ：堆→GC ；直接内存→DirectByteBuffer 的 Cleaner/Unsafe 释放，最终由 OS 回收。
2. 场景 ：堆→业务对象/集合；直接内存→NIO/Netty/mmap 减少拷贝。
3. 参数 ：堆→-Xms/-Xmx；直接内存→-XX:MaxDirectMemorySize。
4. 首证据 ：堆→OOME: Java heap space + GC 日志/heap dump；直接内存→OOME: Direct buffer memory + NMT NIO。

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16 PermGen → Metaspace（JDK8 迁移）

• 差异 ：**PermGen（JDK8 前，堆内）**由 -XX:PermSize/MaxPermSize 控制；**Metaspace（JDK8+ 本地内存）**默认随系统增长，用 -XX:MaxMetaspaceSize 控制。
• 典型 OOM ：OOME: PermGen space（旧） / OOME: Metaspace（新）。
• 遇到 Metaspace OOM 首动 ：看 NMT 与 class loader stats，确认是否类加载器泄漏/动态生类过多。

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17 任意 OOM 的"最小证据包"（5 条）

1. -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=/var/heap.hprof ------ OOM 自动落地 dump
2. -Xlog:gc*:file=/var/gc.log:time,uptime,tags ------ 持久化 GC 证据
3. jcmd <pid> GC.heap_dump /tmp/heap.hprof ------ 在线抓堆
4. jcmd <pid> VM.native_memory summary.scale=MB ------ 看本地内存分类
5. jcmd <pid> Thread.print ------ 线程快照（线程 OOME/卡死）

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18 用 MAT 看 dump 的三步法

1. Leak Suspects：看是否存在可疑泄漏链/最大保留大小持有者。
2. Dominator Tree / Top Consumers ：按Retained Size 找"内存大户"（集合/缓存/字节数组）。
3. Histogram + Path to GC Roots ：锁定异常类型后，沿强引用链/静态字段/ThreadLocal 找根因。

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19 TLAB（线程本地分配缓冲）

• 作用/好处 ：线程私有指针碰撞快速分配，无锁/无 CAS；提升缓存局部性、降低竞争。
• 代价/局限 ：内部碎片（零头浪费）、申请/回收 TLAB 的额外开销。
• 参数/观察 ：-XX:+/-UseTLAB；-Xlog:gc+tlab=info；-XX:+ResizeTLAB、-XX:TLABSize。
• 回退场景 ：对象太大 或当前 TLAB 剩余不足→到共享 Eden 分配/申请新 TLAB；G1 的巨型对象可能绕过新生代。

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20 方法区/常量池/字符串池的位置变迁（JDK6 → 7 → 8）

• JDK6 ：方法区=PermGen（堆内） ；运行时常量池/字符串常量池 在 PermGen；报错 OOME: PermGen space；调参 -XX:MaxPermSize。
• JDK7 ：仍有 PermGen，但字符串常量池迁至堆 ；堆压力增大可能导致 heap OOM。
• JDK8 ：移除 PermGen，用 Metaspace（本地内存） ；运行时常量池 随类元数据在 Metaspace，字符串常量池在堆 ；报错 OOME: Metaspace；调参 -XX:MaxMetaspaceSize。

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21 遇到 OOM 的标准操作流程（6 步）

1. 启动就留证 ：开启 HeapDumpOnOOME 与 GC 日志。
2. 线上取证 ：jcmd ... GC.heap_dump / VM.native_memory / Thread.print，必要时开 JFR 5--10 分钟。
3. 快速研判 ：结合 OOME 文案/NMT 类别判断 heap / metaspace / direct / threads。
4. 离线定位 ：MAT 看 Leak Suspects → Dominator Tree → Path to GC Roots ；若是 metaspace/direct，看 class loader/NIO。
5. 短期止血 ：限流降并发/缩小批量；谨慎小幅 调 -Xmx；收紧缓存；保留证据后重启。
6. 长期治理 ：修复引用链/类加载器/缓存策略 ；加 JFR/GC/NMT 周期快照与告警。