Java-面试八股文-JVM篇

JVM篇

一.在JVM中，什么是程序计数器?

在 JVM（Java Virtual Machine） 中，程序计数器（Program Counter Register，简称 PC 寄存器） 是一块较小的内存空间，用于记录 当前线程所执行的字节码的行号指示器。

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1. 程序计数器的作用

• JVM 的字节码解释器在工作时，需要依靠程序计数器来 确定下一条需要执行的字节码指令。
• 程序计数器存储的内容可以看作是 当前线程所执行的字节码的地址（行号）。
• 如果执行的是 本地方法（native 方法） ，那么程序计数器的值为 未定义（Undefined）。

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2. 为什么需要程序计数器

• 多线程环境下 ，JVM 通过 线程切换 来实现并发执行。
• 每条线程都需要记录自己执行到哪里了，所以 程序计数器是线程私有的，每个线程都有独立的 PC 寄存器。
• 当线程切换回来时，程序计数器能帮助 JVM 知道该线程应该 从哪条指令继续执行。

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3. 特点

• 占用内存非常小，几乎可以忽略。
• 是 JVM 规范中唯一一个没有规定任何 OOM（OutOfMemoryError）情况的内存区域。
• 属于线程私有（Thread-Private）内存。

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二.你能详细给我介绍一下Java堆吗？

1. 什么是 Java 堆（作用）

Java 堆是 JVM 管理的 一块用于存放 Java 对象实例（以及数组）的运行时内存区域 。

它是 所有线程共享 的堆内存区（与线程私有的栈、程序计数器不同）。JVM 的垃圾回收器（GC）主要作用于堆：及时回收不再被引用的对象，防止内存泄漏/耗尽。

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2. 堆的逻辑划分（世代/区域）

传统的"堆"按代（Generation）：

• Young（新生代）

  • Eden（伊甸区）
  • Survivor0（S0）/ Survivor1（S1）------两个幸存者区交换使用
    新生代主要承载新创建的对象。大多数对象短命，会在这里被回收（Minor GC）。

• Old / Tenured（老年代 / 年长代）

  存放在多次 GC 后仍然存活、被晋升（promote）的对象。对老年代的回收通常更昂贵（Major/Full GC）。

注意：JDK 8 后的 Metaspace（方法区）已经移出堆（替代 PermGen）。Metaspace 存放类元数据，不属于堆空间。

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三.什么是虚拟机栈？ 垃圾回收机制是否涉及栈内存？ 栈内存是越大越好吗 ？方法内的局部变量是否线程安全？ 什么情况下会导致栈内存溢出？

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1) 什么是虚拟机栈

• 虚拟机栈（JVM Stack）是 JVM 为每个 Java 线程创建的私有内存区域。
• 栈由若干**栈帧（StackFrame）**组成：每个方法调用对应一个栈帧，栈帧里保存方法的局部变量表、操作数栈、常量池引用和返回地址等。
• 线程结束时其虚拟机栈被回收。
• 举例 ：线程 A 调用 foo()→bar()，会在栈中先后压入 foo、bar 的帧，bar 返回后其帧弹出。

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2) 垃圾回收机制是否涉及栈内存

• GC 主要回收堆（Heap）上的对象，栈上的局部变量本身不被 GC。
• 但是，栈上的引用（局部变量指向的对象引用）会被当作 GC Roots，GC 会从这些根开始标记可达对象，从而间接影响回收。
• 举例 ：方法中 Object o = new Object();，只要 o 仍在栈上可达，那个对象不会被回收；方法返回后 o 不再可达，对象就可能被回收。

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3) 栈内存是越大越好吗？

• 不是绝对越大越好，有利有弊：

  • 增大 -Xss 可以支持更深的调用深度或更大的栈帧（例如深递归），减少 StackOverflowError 风险。
  • 但每个线程都占用这个栈空间，栈越大可同时支持的线程数越少，一个栈对应一个线程，栈的内存过大，可能导致系统无法创建更多线程或出现 OOM。

• 建议：一般使用默认大小，只有在确切需要（深递归或特殊 native 调用）时才调大，或在大量线程场景下调小。

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4) 方法内的局部变量是否线程安全

• 局部基本类型变量（如 int）和局部引用变量本身是线程私有的 ，所以它们的存取不会被多个线程同时修改------局部变量本身是线程安全的。

• 但局部变量引用的对象可能是共享的，如果该对象被多个线程访问则可能不安全。

• 举例：

  void f() {
    int a = 0;              // 线程安全
    List<String> list = new ArrayList<>(); // 如果不把 list 发布到其他线程，则安全
    sharedList.add("x");    // 如果 sharedList 是共享的，可能产生线程安全问题
  }

• 若需要在不同线程间隔离数据，可使用 ThreadLocal<T>。

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5) 什么情况下会导致栈内存溢出（StackOverflow）

• 典型原因：无限/过深递归（最常见）、极深的调用链、或每帧占用太多栈空间（极少见于 Java，但可发生在 JNI/native 代码中）。

• 另外，创建大量线程（每个线程都占栈）也会因为总栈消耗过大而引发 OutOfMemoryError 或无法创建新线程。

• 错误表现 ：java.lang.StackOverflowError（单线程栈溢出）；大量线程耗尽内存可能出现 OutOfMemoryError: unable to create new native thread。

• 举例（递归导致）：

  void recurse() { recurse(); } // 调用会很快抛出 StackOverflowError

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四.能不能解释一下方法区，介绍一下运行时常量池？

1.方法区（Method Area）

定义

方法区是Java虚拟机（JVM）规范中定义的运行时数据区的一部分，用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量 等数据。它是线程共享的内存区域，所有线程都可以访问方法区中的数据。

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方法区的特点

1. 线程共享：方法区是所有线程共享的内存区域。
2. 逻辑内存区 ：方法区是JVM规范中的一个逻辑概念，具体实现依赖于JVM的实现方式。例如：
   • JDK 1.7及之前 ：方法区通过永久代（PermGen）实现，存储在Java堆的永久代中。
   • JDK 1.8及之后 ：方法区通过元空间 （Metaspace）实现，使用本地内存（Native Memory）存储类的元数据，与Java堆分离。
3. 内存回收 ：方法区的垃圾回收效率较低，主要回收废弃的类信息 和常量池中的无用常量。
4. 动态调整：方法区的大小可以动态调整（如元空间的默认大小不受限制，但可以通过参数配置）。

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方法区存储的内容

1. 类信息 ：
   • 类的全限定名（如 java.lang.String）。
   • 类的父类、接口、修饰符（如 public、abstract）。
   • 字段（属性）的名称、类型、修饰符。
   • 方法的名称、参数、返回值、修饰符、字节码（方法体）。
2. 运行时常量池：存储编译期生成的字面量和符号引用（后文详细说明）。
3. 静态变量 ：被 static 修饰的类变量。

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2.运行时常量池（Runtime Constant Pool）

定义

运行时常量池是方法区的一部分，用于存储类文件中的常量数据（如字面量和符号引用），并在运行时进行动态解析和扩展。它是每个类或接口的运行时数据，由JVM在加载类时从类文件的常量池解析而来。

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运行时常量池的作用

1. 存储字面量和符号引用 ：
   • 字面量 ：如字符串（"Hello"）、整数（123）、浮点数（3.14）等。
   • 符号引用 ：类、字段、方法的符号名称（如 java/lang/Object.toString:()Ljava/lang/String;）。
2. 支持动态链接：符号引用在运行时会被解析为直接引用（如内存地址）。
3. 节省内存：相同的数据在常量池中只存储一份，避免重复。

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运行时常量池的存储内容

1. 字面量（Literals） ：
   • 字符串常量（如 "Hello"）。
   • 数值常量（如 int 42、double 3.14）。
   • final 常量（如 static final int MAX = 100;）。
2. 符号引用（Symbolic References） ：
   • 类和接口的全限定名 ：如 java/lang/String。
   • 字段的符号引用 ：包含字段的类名、字段名、字段描述符（如 Ljava/lang/String;）。
   • 方法的符号引用 ：包含方法的类名、方法名、参数类型和返回值类型（如 main([Ljava/lang/String;)V）。
3. 动态生成的常量 ：
   • 通过 String.intern() 方法添加的字符串。
   • 动态语言支持（如 invokeDynamic 指令生成的调用点）。

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运行时常量池的版本差异

1. JDK 1.6及之前 ：
   • 运行时常量池和字符串常量池都位于永久代（PermGen）。
   • 如果常量池过大，可能导致 OutOfMemoryError: PermGen space。
2. JDK 1.7及之后 ：
   • 字符串常量池 被移到Java堆中。
   • 其他常量池数据（如符号引用）仍保留在方法区（元空间）。
3. JDK 1.8及之后 ：
   • 方法区通过**元空间（Metaspace）**实现，使用本地内存，不再受Java堆大小的限制。
   • 如果元空间内存不足，会抛出 OutOfMemoryError: Metaspace。

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示例：运行时常量池的作用

public class Example {
    public static void main(String[] args) {
        String str1 = "Hello"; // 字符串字面量，存储在运行时常量池
        String str2 = "Hello"; // 直接引用常量池中的"Hello"
        String str3 = new String("Hello"); // 堆中新建对象
        System.out.println(str1 == str2); // true（常量池引用）
        System.out.println(str1 == str3); // false（堆对象 vs 常量池）
    }
}

• str1 和 str2 ：都指向运行时常量池中的 "Hello"。
• str3 ：通过 new 创建的新对象，存储在堆中，与常量池无关。

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常见问题

1. 为什么需要运行时常量池？
   • 节省内存：共享相同的数据（如重复的字符串、类名）。
   • 支持动态链接：符号引用在运行时解析为直接引用，实现类、方法的动态绑定。
2. 运行时常量池会导致内存溢出吗？
   • 在 JDK 1.6 及之前，如果常量池过大，可能导致 PermGen space 溢出。
   • 在 JDK 1.8 及之后，元空间使用本地内存，默认不限制大小，但仍需合理配置（如 -XX:MaxMetaspaceSize）。

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总结

• 方法区是JVM的逻辑概念，存储类信息、常量、静态变量等，JDK 1.8之后通过元空间实现。
• 运行时常量池是方法区的一部分，存储编译期生成的字面量和符号引用，并在运行时动态解析。
• 版本差异：JDK 1.7之后字符串常量池移至堆中，JDK 1.8之后元空间取代永久代，解决了固定内存限制的问题。

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五.你听说过直接内存吗，解释一下？

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什么是直接内存

• 直接内存 指的是 JVM 通过 Unsafe 类 或者 NIO 中的 ByteBuffer.allocateDirect() 方法，直接向操作系统申请的内存。
• 这块内存不受 JVM 堆大小参数（如 -Xmx）限制，而是受到 本机物理内存 和 -XX:MaxDirectMemorySize 参数限制。

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为什么要有直接内存

因为传统 Java 堆内存的读写需要 先复制到 JVM 内存，再复制到操作系统内核内存 ，效率低。

而直接内存避免了这层拷贝：

• I/O 操作（比如网络传输、文件读写）可以直接操作这块内存，减少一次拷贝，提高性能。

典型场景：Java NIO 中的 零拷贝（Zero-Copy）

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特点

1. 分配和销毁成本比堆内存高。
2. 访问速度通常比堆内存快，特别是在大数据量 I/O 场景下。
3. 可能会导致 内存溢出（OutOfMemoryError: Direct buffer memory） ，即使堆内存还有空间，因为它不算在 -Xmx 里面。

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举例

import java.nio.ByteBuffer;

public class DirectMemoryDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 分配 100MB 直接内存
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(100 * 1024 * 1024);
        System.out.println("分配了100MB直接内存");
    }
}

如果运行时不加参数 -XX:MaxDirectMemorySize=200m，但分配超过默认限制，就可能抛出：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory

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六.什么是类加载器，类加载器的种类有哪些？

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什么是类加载器（ClassLoader）

• 类加载器 的作用：把字节码文件（.class）加载到 JVM 内存中，并生成对应的 Class 对象。

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类加载器的种类

在 JVM 规范里，类加载器分为两大类：

• 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）
• 其他类加载器（继承自 ClassLoader 的加载器）

实际常见的类加载器有：

1. 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）

• 用 C++ 编写，属于 JVM 本地代码的一部分。
• 主要加载 JDK 核心类库。

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2. 扩展类加载器（Extension ClassLoader）

• 由 Java 实现，父加载器是 Bootstrap。
• 加载 扩展目录（ext） 下的类（早期 JDK 是 jre/lib/ext，后来 JDK9 之后改为模块化）。
• 负责加载一些非核心但又是 JDK 提供的扩展类库。

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3. 应用类加载器（Application ClassLoader / System ClassLoader）

• 也叫 系统类加载器。
• 由 Java 实现，父加载器是 扩展类加载器。
• 负责加载 classpath 下的类（我们自己写的代码一般都是它加载的）。

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4. 自定义类加载器

• 开发者可以继承 ClassLoader，实现自定义加载逻辑。

• 常见应用场景：

  • 热部署 / 插件机制（如 Tomcat、Spring Boot DevTools）。
  • 字节码加密与解密（防止源码被反编译）。

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类加载器的层次结构（双亲委派模型）

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七.什么是双亲委派模型，JVM为什么要采用双亲委派机制？

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1.什么是双亲委派模型（Parent Delegation Model）

定义：

在 JVM 中，类加载器在加载类时，并不是自己马上去尝试加载，而是把请求交给父类加载器去处理 ，父类加载器再交给更上层，直到 启动类加载器。

• 如果父类能完成加载，就直接返回结果。
• 如果父类不能完成加载（即找不到对应的类），再由当前类加载器自己尝试去加载。

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2.双亲委派模型的好处

1. 避免类的重复加载

   • 保证同一个类只会由一个类加载器加载，避免不同类加载器重复加载相同类导致冲突。
   • 例如：java.lang.String 只能由 启动类加载器 加载，不会被用户自己写的类覆盖。

2. 保证核心类库的安全性

   • 如果用户自己写了一个 java.lang.String 类，放在 classpath 下。
   • 由于双亲委派，应用类加载器在加载 String 时，会先交给父加载器，最终由 启动类加载器 加载真正的 String。
   • 避免了用户恶意替换核心类库。

3. 实现了类加载器的层级结构，模块化清晰

   • 每个加载器只关注自己职责范围内的类：

     • Bootstrap → JDK 核心类库
     • Extension → 扩展类库
     • Application → 应用程序类

   • 既有分工，又能保证统一性。

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八. 说一下类加载的执行过程？

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📌 JVM 类加载的执行过程

1. 加载（Loading）

• 作用：将类的字节码文件（.class）读入内存，并创建一个 Class 对象。

• 加载器：由 类加载器（ClassLoader） 完成，使用 双亲委派模型 来定位和加载类。

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2. 链接（Linking）

分为三步：

1. 验证（Verification）

   • 确保字节码文件格式正确，不会危害 JVM 安全。

2. 准备（Preparation）

   • 为类的 静态变量（static 字段） 分配内存，并赋予默认值。

   • 注意：这里只赋默认值 0 / null / false，不会执行任何赋值语句。

   • 比如：

     public static int a = 10;

     在 准备阶段 ，a 的值是 0，不是 10。

3. 解析（Resolution）

   • 把常量池里的符号引用（字符串形式的类、方法、字段名）替换为 直接引用（内存地址）。
   • 比如："java/lang/String" → 变成真正的 String.class 对象引用。

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3. 初始化（Initialization）

• 真正执行类变量的初始化代码，以及执行 静态代码块。

• 按照源代码中定义的顺序执行。

• 初始化子类前，必须先初始化父类，但 使用父类时，不会触发子类初始化。

• 比如：

  public class Test {
      static int a = 10;         // ①
      static { a = 20; }        // ②
  }

  👉 初始化后 a = 20，因为静态代码块在变量赋值之后执行。

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✅ 总结：
类加载过程 = 加载 → 链接（验证、准备、解析） → 初始化，其中初始化阶段才会执行静态变量赋值和静态代码块。

九.在类加载中，准备阶段 和 初始化阶段 对不同类型变量（普通、static、final）的处理过程是什么？

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1. 普通成员变量（非 static）

• 准备阶段：不处理（因为普通成员变量属于对象实例，不属于类）。
• 初始化阶段：在对象实例化时，随着构造方法一起执行赋值。

public class Demo {
    int a = 10; // 普通成员变量
}

👉 a 的赋值要等到 new Demo() 时才发生。

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2. 静态变量（static）

• 准备阶段 ：分配内存并赋默认值（0、false、null）。
• 初始化阶段：执行显式赋值语句、静态代码块，按代码顺序赋值。

public class Demo {
    static int a = 10;   // ① 显式赋值
    static { a = 20; }   // ② 静态代码块
}

👉 准备阶段：a = 0

👉 初始化阶段：先执行 ① → a = 10，再执行 ② → a = 20

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3. final static 变量

• 情况 1：编译期常量（基本类型或 String，值在编译期已确定）

  • 准备阶段：直接赋初始值（不会等到初始化阶段）。
  • 因为编译器在编译时就把值放进了 常量池。

  public class Demo {
      public static final int A = 100;
      public static final String B = "Hello";
  }

  👉 在 准备阶段 ，A = 100，B = "Hello"

• 情况 2：运行期才能确定的值 （如 new 对象，方法返回值）

  • 准备阶段 ：赋默认值（0/null）。
  • 初始化阶段：执行赋值操作。

  public class Demo {
      public static final Integer C = Integer.valueOf(10); // 运行时决定
  }

  👉 准备阶段：C = null

  👉 初始化阶段：C = Integer.valueOf(10)

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4. 普通 final 变量（非静态）

• 属于对象实例变量，不在类加载阶段处理。
• 必须在构造方法或声明时赋值。

public class Demo {
    final int x = 5;   // 声明时赋值
    final int y;       
    Demo(int y) {      // 或者构造方法里赋值
        this.y = y;
    }
}

十.对象什么时候能被垃圾器回收？

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1. 引用计数法（Reference Counting）

原理

• 给每个对象维护一个 引用计数器：

  • 每当有一个地方引用它，计数器 +1。
  • 引用失效时，计数器 -1。

• 当计数器 = 0 时，说明对象不可用，可以被回收。

优点

• 实现简单，效率高。
• 一旦计数为 0 就可以立即回收对象（不用等 GC 扫描）。

缺点

• 无法解决循环引用问题 ：
  两个对象互相引用，即使外部没有引用，它们的计数器也不是 0，无法被回收。

举例

class Node {
    Node next;
}
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Node a = new Node();
        Node b = new Node();
        a.next = b;
        b.next = a;
        a = null;
        b = null; // 外部都断开了引用
        // 但 a 和 b 互相引用，计数不为 0 → 无法回收
    }
}

👉 因为这个问题，Java 没有采用引用计数法。

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2. 可达性分析法（Reachability Analysis）

原理

• JVM 从一组称为 GC Roots 的对象出发，沿着引用链向下搜索。
• 如果一个对象与 GC Roots 没有任何引用链相连，就判定为不可达对象 → 可以被回收。

GC Roots 包括：

• 虚拟机栈中引用的对象（方法参数、局部变量等）
• 方法区中静态变量引用的对象
• 方法区中常量引用的对象
• 本地方法栈（JNI）引用的对象

GC Roots = JVM 里一切"根源性引用"的集合，比如线程、栈变量、静态变量、常量、JNI 引用等。

优点

• 可以有效避免循环引用问题。
• 更符合现代编程语言的需求，因此 Java 采用可达性分析来判断对象是否存活。

示例

class Parent {
    static Parent p; // 静态变量（GC Root）
    int[] arr = new int[1024];
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Parent obj = new Parent(); // 局部变量 obj
        obj = null; // 断开 obj
        // obj 没有任何 GC Roots 引用 → 可被回收
        // 但如果 Parent.p = obj; 那么对象就存活
    }
}

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十一.JVM垃圾回收算法有哪些？

JVM 的垃圾回收算法主要有以下几类，每一种算法在不同的场景下各有优缺点：

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1. 标记-清除（Mark-Sweep）

• 过程：

  1. 从 GC Roots 开始标记所有可达对象。
  2. 清除未被标记的对象，回收内存。

• 优点：实现简单。

• 缺点：

  • 会产生 内存碎片，不连续的内存影响大对象分配。

• 示例：假设堆内存像一张纸，标记可用的格子后，擦掉不用的内容，但留下了空洞。

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2. 复制算法（Copying）

• 过程：

  1. 把内存分为两块（例如 Eden + Survivor0 / Survivor1）。
  2. 每次只用其中一块，当垃圾回收时，把存活对象复制到另一块，清空原来的区域。

• 优点：

  • 没有碎片问题。
  • 分配速度快（指针碰撞分配）。

• 缺点：

  • 需要 双倍内存 空间。

• 示例：就像有两张纸，只写一张，用完后把重要的内容抄到另一张，再把旧纸扔掉。

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3. 标记-整理（Mark-Compact）

• 过程：

  1. 标记存活对象。
  2. 将存活对象移动到内存的一端。
  3. 清理掉边界外的垃圾对象。

• 优点：解决了内存碎片问题。

• 缺点：移动对象需要额外开销，效率比复制算法低。

• 示例：像书架整理，把要保留的书一本本挪到左边，右边空出来。

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✅ 总结

• 标记-清除：简单，但有碎片。
• 复制算法：无碎片，速度快，但浪费内存。
• 标记-整理：无碎片，但速度慢。

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十二.说一下JVM中的分代回收？

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一、JVM 堆的分代结构

JVM 堆通常分为：

1. 新生代（Young Generation）

   • 包含 Eden 区 、Survivor0 (S0) 、Survivor1 (S1)。
   • 特点：对象朝生夕死，存活率低。
   • 默认比例：Eden : S0 : S1 = 8 : 1 : 1。

2. 老年代（Old Generation）

   • 存放经过多次 GC 仍存活的对象。
   • 特点：对象存活率高，内存大。

3. 永久代（PermGen）/ 元空间（Metaspace，Java 8+）

   • 存放类元数据（类结构、方法元信息等）。
   • JDK8 之后用本地内存实现 Metaspace，不再在堆里。

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二、回收过程

1. 新生代回收（Minor GC / Young GC）

• 触发条件：Eden 区满。

• 算法 ：复制算法（Copying）。

• 过程：

  1. 存活对象从 Eden + 一个 Survivor 区，复制到另一个 Survivor 区。
  2. 清空 Eden 和用过的 Survivor 区。
  3. 如果 Survivor 放不下，部分对象会晋升到老年代（称为 晋升/提升）。

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2. 老年代回收（Major GC / Old GC）

• 触发条件：老年代空间不足。
• 算法 ：标记-清除（Mark-Sweep）或 标记-整理（Mark-Compact）。
• 特点：回收速度慢，可能会导致应用停顿时间长。

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3. 整堆回收（Full GC）

• 触发条件：

  • 老年代空间不足；
  • 元空间不足；
  • System.gc() 调用；
  • 其他 GC 策略触发。

• 过程：回收新生代 + 老年代 + 元空间。

• 代价：非常昂贵，应尽量避免频繁 Full GC。

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十三.说一下JVM有哪些垃圾和回收器？

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一、JVM 垃圾回收的基本原理

• 垃圾回收器是负责回收不再使用的对象的组件。
• JVM 的垃圾回收主要关注 堆内存（Heap） 和 方法区（MetaSpace） 的回收。
• 回收策略基于 分代回收（Generational GC） 和 垃圾收集算法，而不同的垃圾回收器实现了不同的回收策略和算法。

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二、JVM 常见的垃圾回收器

1. Serial GC（串行回收器）

• 特点：使用单线程进行垃圾回收，适用于单核 CPU 系统。

• 使用场景：低内存和小型应用。

• 回收过程：

  • 新生代使用 复制算法（Copying）。
  • 老年代使用 标记-清除 或 标记-整理（Mark-Compact）。

• 启动方式 ：
  -XX:+UseSerialGC

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2. Parallel GC（并行回收器）

• 特点：多线程进行垃圾回收，通过并行回收提高吞吐量，适用于多核 CPU 系统。

• 使用场景：需要高吞吐量的应用。

• 回收过程：

  • 新生代使用 复制算法（Copying）。
  • 老年代使用 标记-整理（Mark-Compact）。

• 启动方式 ：
  -XX:+UseParallelGC

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3. CMS GC（Concurrent Mark-Sweep， 并发标记-清除回收器）

• 特点：通过并发回收减少停顿时间，适用于低停顿应用。

• 使用场景：要求低延迟的应用。

• 回收过程：

  • 新生代使用 复制算法（Copying）。
  • 老年代使用 标记-清除 （Mark-Sweep）+ 并发清除。

• 启动方式 ：
  -XX:+UseConcMarkSweepGC

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4. G1 GC（Garbage-First Garbage Collector）

• 特点：适合多核 CPU 和大堆内存的环境，目标是实现高效的垃圾回收，同时降低停顿时间。

• 使用场景：适合大内存、高并发、要求低延迟的应用。

• 回收过程：

  • G1 会将堆分成多个 Region，每个 Region 由 G1 回收器动态选择回收。
  • 新生代和老年代采用不同的回收策略，G1 会通过预测停顿时间来选择回收哪些区域。

• 启动方式 ：
  -XX:+UseG1GC

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三、总结

• Serial GC：适用于小型应用，单线程，回收效率较低。
• Parallel GC：适用于多核 CPU，大型应用，追求高吞吐量。
• CMS GC：适用于低停顿、高并发应用，减少停顿时间。
• G1 GC：适合大内存、高并发应用，平衡吞吐量和停顿时间。

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十四.请详细聊一下Java中的G1垃圾分类回收器？

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1. G1的核心设计理念

G1的设计目标是通过灵活的分区管理 和优先级回收策略，解决传统垃圾回收器（如CMS）的痛点，例如：

• 内存碎片化：CMS的标记-清除算法可能导致碎片，无法分配大对象。
• 不可预测的停顿时间：CMS和Parallel Scavenge的停顿时间难以控制。
• 全堆回收的开销：传统回收器需要对整个堆进行回收，效率低下。

G1的核心思想：

• 分区（Region）管理：将堆划分为多个大小相等的独立区域（Region），每个区域可以动态分配给新生代或老年代。
• 增量式回收：每次只回收部分区域（Collection Set），避免全堆回收。
• 可预测的停顿时间 ：通过启发式算法和用户设定的停顿目标（如-XX:MaxGCPauseMillis），控制GC停顿时间。
• 并发与并行结合：在标记和清理阶段充分利用多核CPU资源。

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2. G1的内存模型

G1将堆划分为多个Region （默认大小1MB~32MB，可通过-XX:G1HeapRegionSize调整），每个Region可以属于以下类型之一：

• Eden Region：存放新创建的对象（属于新生代）。
• Survivor Region：存放年轻代GC后存活的对象。
• Old Region：存放存活时间较长的对象（属于老年代）。
• Humongous Region ：专门存储巨型对象（大小超过Region的一半）。

逻辑分代 vs 物理分代

• 传统分代（如CMS）：新生代和老年代是物理上连续的内存区域。
• G1逻辑分代：新生代和老年代是逻辑上的概念，Region可以动态分配到任意分代中。

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3. G1的工作原理

G1的回收过程分为四个主要阶段，通过增量式回收 和优先级列表实现高效垃圾回收：

1. 年轻代回收（Young GC）

• 触发条件：Eden区填满时触发。
• 过程 ：
  1. 复制算法：将Eden和Survivor中的存活对象复制到新的Survivor区域。
  2. 对象晋升：如果Survivor区域不足，部分存活对象晋升到老年代。
  3. 清理空Region：回收不再使用的Eden和Survivor Region。

2. 并发标记（Concurrent Marking）

• 目标：标记老年代中的垃圾对象。
• 步骤 ：
  1. 初始标记（STW）：标记从根节点直接引用的对象。
  2. 并发标记：与用户线程并发执行，遍历老年代对象图。
  3. 最终标记（STW）：处理并发标记期间的剩余任务。
  4. 筛选回收（Mixed GC）：选择垃圾最多的Region进行回收（混合回收新生代和部分老年代）。

3. 混合回收（Mixed GC）

• 特点：在年轻代回收的基础上，回收部分老年代Region。
• 优先级策略：基于Region的垃圾比例和回收成本，优先回收垃圾最多的Region（Garbage-First名称的由来）。

4. 完全GC（Full GC）

• 触发条件：堆内存不足或G1无法回收足够空间时触发。
• 实现方式：使用单线程的标记-整理算法，停顿时间较长，需尽量避免。

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4. G1的关键特性

特性	描述
分区管理	堆被划分为多个Region，灵活分配到不同代，减少内存碎片。
可预测的停顿时间	用户通过-XX:MaxGCPauseMillis设置目标停顿时间（默认200ms），G1会尽力满足。
并发与并行	并发标记阶段与用户线程并行运行；并行阶段（如Young GC）利用多核CPU加速。
空间整合	使用复制算法回收Region，避免内存碎片（对比CMS的标记-清除）。
动态调整	Region的分配和回收策略动态调整，适应不同负载场景。

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十五.强引用，软引用，弱引用，虚引用的区别是什么？

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1. 强引用（Strong Reference）

• 定义 ：最常见的引用类型，通过直接赋值（如 Object obj = new Object()）创建。

• 回收时机 ：只要存在强引用指向对象（GC Roots 能到达的对象），垃圾回收器永远不会回收该对象，即使内存不足。

• 使用场景 ：

  • 普通的业务对象（如业务实体、数据模型等）。
  • 需要长期存活的对象（如缓存中的关键数据）。

• 示例 ：

  Object strongRef = new Object(); // 强引用
  strongRef = null; // 显式置为null后，对象可被回收
  System.gc(); // 建议JVM回收

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2. 软引用（Soft Reference）

• 定义 ：通过 SoftReference<T> 类创建，表示"有用但非必需"的对象。

• 回收时机 ：

  • 在内存充足时，不会被回收。
  • 一旦内存不足（OOM）时，会被回收以释放内存。

• 使用场景 ：

  • 内存敏感的缓存（如图片缓存、缓存池），在内存不足时自动清理。
  • 避免因缓存占用过多内存导致OOM。

• 示例 ：

  Object obj = new Object();
  SoftReference<Object> softRef = new SoftReference<>(obj);
  obj = null; // 移除强引用
  // 当内存不足时，softRef.get() 可能返回 null

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3. 弱引用（Weak Reference）

• 定义 ：通过 WeakReference<T> 类创建，表示"非必需"的对象。

• 回收时机 ：

  • 下一次垃圾回收时，只要没有强引用，就会被回收。
  • 与内存是否充足无关。

• 使用场景 ：

  • 监听对象的回收（如监听某个对象是否被销毁）。
  • 避免内存泄漏（如缓存中临时对象）。

• 示例 ：

  Object obj = new Object();
  WeakReference<Object> weakRef = new WeakReference<>(obj);
  obj = null; // 移除强引用
  // 下一次GC后，weakRef.get() 会返回 null

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4. 虚引用（Phantom Reference）

• 定义 ：通过 PhantomReference<T> 类创建，不能通过 get() 方法获取对象。
• 回收时机 ：
  • 对象被回收后，虚引用才会被加入引用队列，由Reference Handler线程执行相关内存的清理操作。
• 使用场景 ：
  • 资源清理（如关闭文件句柄、释放本地资源）。
  • 监控对象何时被回收 （需配合 ReferenceQueue 使用）。

Reference Handler线程的作用

• Reference Handler线程 是JVM启动时创建的一个守护线程 ，其核心职责是：
  1. 监控对象的回收状态 ：当JVM的垃圾回收器（如CMS、G1等）回收对象时，会将对应的引用（软引用、弱引用、虚引用）加入一个全局的 pending 队列。
  2. 将引用加入对应的引用队列 ：Reference Handler线程会从 pending 队列中取出引用，并根据其注册的 ReferenceQueue 将其加入到程序可见的队列中。
  3. 触发后续处理逻辑：程序可以通过轮询或阻塞方式从引用队列中取出引用，进而执行资源清理操作（例如关闭文件句柄、释放本地资源等）。

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• 示例 ：

  Object obj = new Object();
  ReferenceQueue<Object> queue = new ReferenceQueue<>();
  PhantomReference<Object> phantomRef = new PhantomReference<>(obj, queue);
  obj = null; // 移除强引用
  // 调用 System.gc() 后，phantomRef 会被加入 queue

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对比总结

特性	强引用	软引用	弱引用	虚引用
回收时机	永远不回收（除非显式置为 null）	内存不足时回收	下一次GC时回收	对象被回收后加入引用队列
是否可获取对象	✅ 通过 get() 获取	✅ 通过 get() 获取	✅ 通过 get() 获取	❌ 无法通过 get() 获取
是否需要引用队列	❌ 不需要	❌ 不需要	❌ 不需要	✅ 必须配合 ReferenceQueue
典型用途	普通对象、关键数据	缓存（内存敏感）	临时对象、监听回收	资源清理、对象回收监控

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十六.JVM调优参数可以在哪设置参数值？

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1. 命令行启动参数

• 适用场景 ：直接通过命令行启动Java应用（如 java -jar app.jar）。

• 设置方法 ：
  在启动命令中添加JVM参数，例如：

  java -Xms256m -Xmx256m -XX:+UseG1GC -jar app.jar

• 参数类型 ：

  • 标准参数（-X）：如 -Xms（初始堆大小）、-Xmx（最大堆大小）。
  • 非标准参数（-XX）：如 -XX:+UseG1GC（启用G1垃圾回收器）。

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2. IDE配置（如 IntelliJ IDEA）

• 适用场景：在开发环境中运行或调试Java应用。
• 设置方法 ：

  1. 通过运行/调试配置 ：

     • 打开 Run/Debug Configurations（快捷键 Alt + Shift + F10 或菜单 Run > Edit Configurations）。

     • 在 VM options 字段中输入参数，例如：

       -Xms256m -Xmx256m -XX:+PrintGCDetails

  2. 全局配置 ：

     • 在 File > Settings > Build, Execution, Deployment > Build Tools > [所选配置] 中设置全局的 VM options。

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3. 中间件配置（如 Tomcat）

• 适用场景：部署在 Tomcat、WebLogic、WebSphere 等应用服务器中。
• 设置方法 ：
  • Tomcat ：

    • 编辑 setenv.sh（Linux/Mac）或 setenv.bat（Windows）文件，添加参数到 JAVA_OPTS，例如：

      JAVA_OPTS="-Xms256m -Xmx256m -XX:+UseG1GC"

    • 如果没有 setenv.sh，可以手动创建或修改 catalina.sh 中的 JAVA_OPTS。

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4. 容器环境（如 Docker/Kubernetes）

• 适用场景：在容器化部署中（如 Docker、Kubernetes）。
• 设置方法 ：
  1. Docker ：

     • 在 docker run 命令中通过 -e 设置环境变量 JAVA_OPTS，例如：

       docker run -e JAVA_OPTS="-Xms256m -Xmx256m" my-java-app

     • 或在 Dockerfile 中指定 ENV JAVA_OPTS。

  2. Kubernetes ：

     • 在 Deployment 或 Pod 的 YAML 文件中通过环境变量设置 JAVA_OPTS，例如：

       env:
         - name: JAVA_OPTS
           value: "-Xms256m -Xmx256m -XX:+UseG1GC"

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总结对比

场景	设置位置	典型参数示例
命令行启动	启动命令	-Xms256m -Xmx256m -XX:+UseG1GC
IDE（如 IntelliJ）	运行/调试配置	-XX:+PrintGCDetails -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
Tomcat	setenv.sh 或 setenv.bat	JAVA_OPTS="-Xms256m -Xmx256m"
Docker/Kubernetes	环境变量 JAVA_OPTS	-Xms256m -XX:+UseContainerSupport

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十七.常见的JVM调优的参数有哪些？

• -Xms ：设置JVM初始堆内存大小（如 -Xms2g 表示2GB）。

• -Xmx ：设置JVM最大堆内存大小（如 -Xmx4g 表示4GB）。

  • 推荐设置 ：-Xms 和 -Xmx 设置为相同值，避免堆动态扩容导致的性能抖动。

• -XX:SurvivorRatio ：设置Eden区与Survivor区的比例（如 -XX:SurvivorRatio=8 表示Eden占年轻代的80%）。

• G1回收器（Garbage First）：

  • 启用参数：-XX:+UseG1GC
  • 关键参数 ：
    • -XX:MaxGCPauseMillis=200：目标最大停顿时间。

• -XX:MaxTenuringThreshold=N：设置对象晋升到老年代的最大年龄（默认15）。

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十八.说一下JVM的调优工具？

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一、命令行工具（轻量级，适合线上快速排查）

1. jps（Java Virtual Machine Process Status Tool）

   • 查看当前系统上运行的所有 Java 进程及其 pid。

2. jstat（JVM Statistics Monitoring Tool）

   • 监控 类加载、垃圾回收、内存、JIT 编译 等信息。

   • 示例：

     jstat -gc <pid> 1000

     每 1s 打印一次 GC 情况。

3. jmap（Memory Map Tool）

   • 查看堆内存使用情况，导出堆转储（heap dump）。

   • 示例：

     jmap -heap <pid>
     jmap -dump:live,format=b,file=heap.hprof <pid>

4. jhat（JVM Heap Analysis Tool）

   • 分析 jmap 生成的 heap dump 文件。

5. jstack（Stack Trace Tool）

   • 打印指定进程的线程快照，定位 死锁、死循环、线程阻塞 问题。

   • 示例：

     jstack <pid> > threadDump.txt

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二、图形化工具（直观，适合长期监控和分析）

1. JConsole

   • JDK 自带，基于 JMX，实时监控内存、线程、类加载、MBean 等。
   • 缺点：性能一般，功能偏简单。

2. VisualVM

   • 功能强大的分析工具，可以监控 CPU、内存、线程、GC，还能分析 heap dump。
   • 可安装插件（如 BTrace）增强功能。
   • 推荐作为调优首选工具。

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十九.JVM内存泄漏的排查思路有哪些？

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1️⃣ 导出内存快照（Heap Dump）

当怀疑内存泄漏（Heap 使用持续上涨，Full GC 频繁且效果不明显）时，可以先用 jmap 导出内存快照：

# 导出堆快照文件（hprof 格式）
jmap -dump:live,format=b,file=heap.hprof <pid>

• live：只导出存活对象（减少无效数据）
• file=heap.hprof：生成的快照文件
• <pid>：Java 进程号，可以通过 jps 查看

⚠️ 注意：jmap dump 会造成 Stop The World，生产环境需要谨慎操作，最好在压力低时执行。

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2️⃣ 使用 VisualVM 加载快照

打开 VisualVM → File → Load → 选择刚刚生成的 heap.hprof 文件，进入内存分析界面。

VisualVM 提供几个关键视角：

（1）Classes 视角

• 按类展示实例数量和占用内存大小。

• 排查思路：

  • 看哪些类的实例数量异常大（比如 HashMap$Node、byte[]、String 等）。
  • 判断是否符合业务预期（例如缓存对象是否被回收）。

（2）Instances 视角

• 可以点进某个类，查看对象实例。

• 排查思路：

  • 查看对象的生命周期是否合理。
  • 比如某个 Session 对象明明用户退出后应该被销毁，但还存活在内存中。

（3）References 视角（引用链分析）

• 查看某个对象的 引用路径（Reference Chain）。

• 排查思路：

  • 找出 GC Roots → 对象的保留链。
  • 如果对象本应释放，却因为被某个 静态集合、缓存、ThreadLocal 引用而无法回收，就说明有内存泄漏。

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3️⃣ 常见内存泄漏场景（结合 VisualVM 分析）

1. 静态集合持有对象

   • 例：static List 或 Map 没有清理，导致对象一直被引用。
   • 在 VisualVM 的 Reference Chain 中，可以看到对象被某个 static 字段强引用。

2. 缓存未设置过期策略

   • 使用 HashMap 或 ConcurrentHashMap 缓存，但没清理过期数据。
   • 在 VisualVM 中看到大量缓存对象，引用路径来自缓存类。

3. Listener / Callback 未释放

   • 注册的监听器没 remove，导致被引用。
   • 在 VisualVM 中，实例的引用路径显示来源是某个 listener 列表。

4. ThreadLocal 泄漏

   • ThreadLocal 使用不当（没有调用 remove()），导致 value 不能被回收。
   • 在快照中可看到 ThreadLocalMap.Entry 引用了大量对象。

5. 数据库连接 / IO 资源未关闭

   • 在快照中可能会看到大量的 Socket、FileInputStream 对象。

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二十.CPU飙高的排查方案和思路是什么?

假设你发现某个 Java 进程 CPU 很高，你想找出是哪个线程导致的：

✅ 步骤 1：用 top -Hp <pid> 找出高 CPU 的线程 ID（十进制）

top -Hp 12345

输出中看到某个线程 PID 是 12346，占用 98% CPU。

✅ 步骤 2：将线程 ID 转为 16 进制

printf "%x\n" 12346
# 输出：303a

✅ 步骤 3：用 jstack + grep 查找该线程的堆栈

jstack 12345 | grep -A 30 303a # 查看该线程的调用栈

注意：我们搜索的是 303a（16进制），因为 jstack 中的 nid 是 16进制格式。

✅ 输出示例：

"main" #1 prio=5 os_prio=0 tid=0x00007f8c8000a000 nid=0x303a runnable [0x00007f8c8556d000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE
   at com.example.Calculator.compute(Calculator.java:45)
   at com.example.Service.handleRequest(Service.java:30)
   at com.example.ApiController.process(ApiController.java:20)
   at com.example.Main.main(Main.java:10)

这就定位到了：是 main 线程在执行 compute() 方法，可能是一个死循环或密集计算，导致 CPU 占用过高。

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🔍 关键概念解释

名称	说明
pid	Java 进程的进程 ID（Process ID）
tid	Java 线程对象 ID（java.lang.Thread 的 ID，jstack 中 tid=...）
nid	Native Thread ID ，操作系统线程 ID，16进制，jstack 中 nid=0xabc
os_prio	操作系统线程优先级
runnable / TIMED_WAITING / BLOCKED	线程状态，反映当前线程在做什么

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