Java面试题-JVM

一、JVM结构

JVM 本质是一台 "虚拟的计算机"，核心作用是运行 Java 字节码（.class 文件），屏蔽不同操作系统的底层差异，实现 "一次编写，到处运行"。

1、 类加载子系统

核心作用：

负责将磁盘上的.class字节码文件加载到 JVM 的运行时数据区中，是 JVM 执行代码的 "前置准备环节"。

具体流程 & 作用：

• 加载：通过类的全限定名（如java.lang.String）找到.class文件，读取字节码并生成对应的Class对象；
• 链接：验证字节码合法性（防止恶意代码）、为类变量分配内存并设置默认值、将符号引用替换为直接引用；
• 初始化：执行类的静态代码块（static{}）、为静态变量赋初始值，完成类的初始化。

关键特性：遵循 "双亲委派模型"，保证类加载的安全性（避免核心类被篡改）。

2、运行时数据区

这是 JVM 最核心的内存区域，所有运行时的数据都存储在这里，分为线程私有 和线程共享两类。

结构	归属	核心作用
程序计数器	线程私有	记录当前线程执行的字节码指令地址（行号），保证线程切换后能恢复到正确执行位置；执行 native 方法时值为undefined。
虚拟机栈	线程私有	存储方法调用的 "栈帧"（每个方法执行时创建一个栈帧），包含局部变量表、操作数栈、方法出口等；方法调用入栈，执行完出栈，是线程安全的。
本地方法栈	线程私有	与虚拟机栈功能类似，但专门为 native 方法（如调用 C/C++ 代码）服务；HotSpot VM 中常与虚拟机栈合并。
堆（Heap）	线程共享	JVM 中最大的内存区域，唯一作用是存储对象实例和数组；是垃圾回收（GC）的核心区域，分为新生代（Eden、S0、S1）和老年代。
方法区（Method Area）	线程共享	存储类的元数据（类名、字段、方法定义）、常量池、静态变量、JIT 编译后的代码等；JDK8 后改用 "元空间"（Metaspace），使用本地内存而非 JVM 堆内存。
运行时常量池	方法区子集	存放编译期生成的字面量（如字符串常量）和符号引用，运行时也可动态添加（如String.intern()）。

3、执行引擎

核心作用：

负责执行运行时数据区中的字节码指令，是 JVM 的 "执行核心"。

核心组件：

• 解释器：逐行解释执行字节码，启动速度快，但执行效率低；
• 即时编译器（JIT）：识别 "热点代码"（频繁执行的代码），将其编译为机器码并缓存，大幅提升执行效率；
• 垃圾回收器（GC）：属于执行引擎的子集，负责回收堆 / 方法区中不再使用的对象，释放内存（如 Serial GC、G1 GC 等）。

4、本地方法接口

核心作用：

作为 Java 代码与本地代码（C/C++、汇编等）之间的 "桥梁"，允许 JVM 调用本地方法，也支持本地方法反向调用 Java 方法。

应用场景：

当需要调用操作系统底层 API（如文件操作、硬件交互）时，通过 JNI 实现。

5、本地方法库

核心作用：

存放本地方法的具体实现代码（如 C/C++ 编写的.so/.dll库文件），供 JNI 调用，是本地方法的 "实际执行载体"。

二、JDK、JRE、JVM、JNI

1、JVM（Java 虚拟机）

• 核心定义 ：是一台 "虚拟的计算机"，是 Java 程序运行的核心执行引擎，负责解释 / 编译执行 Java 字节码（.class 文件），屏蔽 Windows、Linux、Mac 等不同操作系统的底层差异，实现 "一次编写，到处运行"。
• 关键特点：单独的 JVM 无法运行 Java 程序（需要依赖类库），它是纯执行层，不包含任何开发 / 运行所需的类库或工具。
• 通俗比喻：相当于汽车的 "发动机"，负责驱动程序运行，但发动机需要燃油（类库）才能工作。

2、JRE（Java 运行时环境）

• 核心定义 ：是运行 Java 程序的最小必备环境 ，包含两部分核心内容：
  • 基础：JVM（执行引擎）；
  • 核心类库：Java 标准库的核心部分（如java.lang、java.util、java.io等），以及必要的配置文件。
• 关键特点：只能运行已编译好的 Java 程序（.class 文件），无法开发 / 编译程序。
• 通俗比喻：相当于 "发动机（JVM）+ 燃油（核心类库）"，有了它就能跑 Java 程序，但不能造程序。

3、JDK（Java 开发工具包）

• 核心定义 ：是开发、编译、调试 Java 程序的完整工具包 ，包含：
  • 基础：完整的 JRE（运行时环境）；
  • 开发工具：javac（Java 编译器，将.java 文件编译为.class）、javadoc（文档生成工具）、jdb（调试器）、jar（打包工具）等。
• 关键特点：程序员开发 Java 程序的全套装备，包含运行和开发的所有能力。
• 通俗比喻：相当于 "运行环境（JRE）+ 工具箱（开发 / 编译 / 调试工具）"，既能造程序，也能跑程序。

4、JNI（Java 本地接口）

• 核心定义 ：不是独立的 "软件包"，而是一套编程接口 / 规范，属于 JVM 的核心组成部分。它的作用是搭建 Java 代码和本地代码（C/C++、汇编等）之间的通信桥梁，允许 Java 程序调用操作系统底层的本地方法，也支持本地代码反向调用 Java 方法。
• 关键特点：是 JVM 的 "内置功能"，而非独立层级，服务于 Java 与底层系统的交互。
• 通俗比喻：相当于 "发动机（JVM）上的一个接口 / 通道"，让 Java 程序能和操作系统的底层代码（如文件操作、硬件交互）对话。

5、四者完整关系

1. 核心层级（包含关系）：JDK ⊃ JRE ⊃ JVM

JDK（Java开发工具包）
├── JRE（Java运行时环境）
│   ├── JVM（Java虚拟机，核心执行层）
│   └── 核心类库（java.lang、java.util等，运行程序的基础）
└── 开发工具集（javac、javadoc、jdb、jar等，开发/编译/调试用）

2、 JNI 与三者的关联关系（非包含，是 JVM 的内置能力）

• JNI 是 JVM 的 "内置接口"：JNI 属于 JVM 的核心结构，不是独立的层级，只要有 JVM 就有 JNI；
• JNI 服务于 JRE/JDK：
  • JRE 中的核心类库（如java.io文件操作、java.net网络通信）底层会通过 JNI 调用操作系统的本地代码；
  • 开发人员用 JDK 编写程序时，若需调用本地代码（如优化性能、访问硬件），可基于 JNI 规范编写本地方法，最终由 JVM 执行。

三、java堆

Java堆是和Java应用程序关系最为密切的内存空间，几乎所有的对象都存放在堆中。并且Java堆是完全自动化管理的，通过垃圾回收机制，垃圾对象会被自动清理，而不需要显式地释放。

根据垃圾回收机制的不同，Java堆有可能拥有不同的结构。最为常见的一种构成是将整个Java堆分为新生代和老年代。新生代包含Eden+Survivor区，survivor区里面分为from和to区，内存回收时，如果用的是复制算法，从from复制到to（我们也教s0，s1），当经过一次或者多次GC之后，存活下来的对象会被移动到老年区其中，新生代有可能分为eden区、s0区、s1区，s0 和s1也被称为from和to区域，它们是两块大小相等、可以互换角色的内存空间。

在绝大多数情况下，对象首先分配在eden区，在一次新生代回收后，如果对象还存活，则会进入s0或者s1，之后，每经过一次新生代回收， 对象如果存活，它的年龄就会加1。当对象的年龄达到一定条件后，就会被认为是老年对象，从而进入老年代。

栈、堆、方法区的关系

声明的局部变量存放在栈中，而方法中的对象实例创建放在堆中，剩下的类与方法的实现在方法区。

四、出入java栈

Java栈是一块线程私有的内存空间。如果说，Java堆和程序数据密切相关，那么Java栈就是和线程执行密切相关的。线程执行的基本行为是函数调用,每次函数调用的数据都是通过Java栈传递的。

Java栈只支持出栈 和入栈两种操作。

栈帧

在Java栈中保存的主要内容为栈帧。每一次函数调用， 都会有一个对应的栈帧

被压入Java栈，每一个函数调用结束，都会有一个栈帧被弹出Java栈。

五、局部变量表

局部变量表是 JVM中每个栈帧的核心组成部分之一，专门用于存储方法执行过程中的局部数据，是理解 JVM 方法调用和内存分配的关键概念。

1、定位

局部变量表是栈帧的 "本地数据存储区"，仅服务于当前方法的执行，是线程私有、完全隔离的内存区域。

2、存储内容：

方法的形参 ：包括普通参数、this引用（非 static 方法），参数会优先占用局部变量表的前几个位置。

方法内定义的局部变量：包括基本数据类型（8 种）、引用类型（对象引用 / 数组引用）、返回值地址（极少场景）。

局部变量表不存储对象实例本身（对象实例在堆中），仅存储引用类型的 "指针" 或基本数据类型的直接值。

3、结构与组成：变量槽

局部变量表的最小存储单元是变量槽。

1、Slot 的大小：JVM 规范中定义 1 个 Slot 占用 4 个字节（32 位），可存储：

基本数据类型：byte、short、char、int、float、boolean（都会占用 1 个 Slot，boolean 实际按 int 存储）。

引用类型：所有对象 / 数组引用。

2、占用规则：

long、double 类型占用2 个连续的 槽位。

其他类型均占用 1 个 槽位

3、参数存储顺序：

方法形参按声明顺序依次占用槽，非 static 方法的第 0 个 槽位固定存储this引用。

4、特性

1、生命周期

局部变量表随栈帧创建而初始化，随栈帧销毁而释放。

作用域仅限当前方法，方法执行完毕后，局部变量表中的数据会立即失效，无法被其他方法访问。

2、不可动态扩展

局部变量表的大小在编译期就已确定，写入到方法的字节码中，运行时无法修改。

方法中局部变量的数量 / 类型一旦确定，运行时不会因为逻辑变化（如循环创建变量）而改变局部变量表的大小。

3、与垃圾回收无关

局部变量表存储的是方法内临时数据，生命周期与栈帧绑定，栈帧销毁后数据直接释放，无需 GC 参与。

只有堆中的对象实例才会被 GC 回收，局部变量表中的引用仅作为指向堆对象的 "指针"。

5、影响局部变量表大小的因素

1、方法参数的数量和类型

参数越多、包含 long/double 类型越多，占用槽位越多。

2、方法内局部变量的数量和类型

定义的局部变量越多（尤其是 long/double），Slot 占用越多。

3、方法类型

static 方法无this引用，比同参数的非 static 方法少占用 1 个槽位。

6、局部变量的回收

6.1局部变量本身的"回收"（非GC）

局部变量本身存储在虚拟机栈的局部变量表，其回收和垃圾回收无关，是 JVM 方法调用机制的自动行为。

回收本质：

不是 "垃圾回收"，而是栈帧销毁时的内存释放。

回收时机：

方法正常执行完毕或异常终止，栈帧从虚拟机栈中出栈。

局部变量表随栈帧一起被销毁，其中存储的内容占用的槽位空间被 JVM 回收，用于后续方法调用的栈帧分配。

核心特点：

即时性：方法结束后立即释放，无需等待任何 GC 线程。

不可控性：程序员无法通过代码手动触发（如调用 System.gc () 也无效），完全由 JVM 的方法调用栈机制管理。

线程隔离：局部变量是线程私有，回收仅影响当前线程的栈空间，无线程安全问题。

6.2 局部变量引用的堆对象的回收（GC）

局部变量不会存储对象实例本身（对象实例在堆中），仅存储对象的引用指针。堆对象的回收才是 GC 的核心，局部变量的状态直接影响堆对象的可达性。

核心规则：

堆对象是否被回收，取决于是否存在可达的引用链------ 只要局部变量还持有堆对象的引用，该对象就会被标记为 "存活"，不会被 GC 回收；反之则可能被回收。

注意点：

GC 的 "延迟性"：即使满足上述场景，堆对象只是被标记为 "可回收"，实际回收需等待 GC 线程执行，而非立即释放。

System.gc () 仅为 "建议"：调用该方法只是提醒 JVM 执行 GC，JVM 可忽略，无法保证堆对象立即回收。

六、操作数栈

操作数栈是 JVM中每个栈的核心组成部分，是方法执行过程中完成算术运算、方法调用的 "临时计算区"，也是理解 JVM 字节码执行逻辑的关键。

1、本质

操作数栈是一个后进先出 的栈结构（无索引，只能操作栈顶元素），专门用于存储方法执行过程中需要计算的临时数据、指令的操作数和运算结果。

2、核心作用

1、支撑字节码指令的算术运算。

2、支撑方法调用 / 返回。

3、作为局部变量表和计算逻辑之间的 "数据中转站"。

3、所属关系

每个栈帧对应一个独立的操作数栈，随栈帧创建而初始化，随栈帧销毁而释放，线程私有，完全隔离。

4、核心结构与存储规则

1、存储单元

以 "数据项" 为基本单位，无局部变量表的 "Slot" 概念，但有明确的类型和深度规则：

01、可存储数据类型：基本数据类型（8 种）、引用类型（对象 / 数组引用）、方法返回地址。

02、类型转换规则：byte/short/char/boolean 类型入栈前会先转换为 int 类型。

2、栈深度限制

01、操作数栈的最大深度 在编译期就已确定，写入到方法的字节码中，运行时不可动态扩展。

02、若运行时操作数栈的实际深度超出编译期设定的最大值，会抛出StackOverflowError。

3、64 位数据处理

01、long、double 类型占用2 个连续的栈深度位置。

02、其他类型（int、float、引用等）仅占用 1 个栈深度位置。

5、基础操作指令分类

指令类型	示例指令	作用
入栈指令	bipush（常量入栈）、iload_1（局部变量表数据入栈）	将常量、局部变量表中的数据压入操作数栈
运算指令	iadd（int 相加）、lmul（long 相乘）、if_icmpgt（int 比较）	弹出栈顶数据进行运算，结果压回栈（或直接用于判断）
出栈指令	istore_2（栈顶数据存入局部变量表）	将栈顶数据弹出，写入局部变量表指定位置
方法调用 / 返回	invokevirtual（调用实例方法）、ireturn（返回 int 值）	方法调用时传递参数（压栈），返回时将结果压栈

字节码指令	操作数栈状态（栈底→栈顶）	指令说明
iload_1	[x]	将局部变量表 Slot1 的参数 x 压入栈
bipush 5	[x, 5]	将常量 5 压入栈
iadd	[x+5]	弹出 x 和 5，相加后将结果压栈
istore_2	[]	弹出 x+5，存入局部变量表 Slot2（即变量 y）
iload_2	[y]	将局部变量表 Slot2 的 y 压入栈
bipush 2	[y, 2]	将常量 2 压入栈
imul	[y*2]	弹出 y 和 2，相乘后将结果压栈
ireturn	[]	弹出栈顶的 y*2，作为方法返回值

操作数栈和局部变量表是栈帧中最核心的两个组件，二者频繁交互完成方法执行，关系如下：

1. 数据流向 1（局部变量表 → 操作数栈） ：通过xload_n指令（如iload_1、aload_2），将局部变量表中指定位置的数据压入操作数栈，为计算做准备；
2. 数据流向 2（操作数栈 → 局部变量表） ：通过xstore_n指令（如istore_2、astore_3），将操作数栈顶的计算结果弹出，存入局部变量表指定位置（即赋值给局部变量）；
3. 核心定位对比 ：
   • 局部变量表：是 "数据存储区"，存储方法参数、局部变量，可通过索引随机访问；
   • 操作数栈：是 "数据计算区"，仅支持栈顶操作，专门完成运算和指令交互。

6、特性

1、线程私有：每个线程的每个方法调用都有独立的操作数栈，无并发安全问题。

2、无 GC 参与：操作数栈存储的是临时计算数据，随栈帧销毁而释放，无需垃圾回收。

3、类型严格匹配 ：JVM 会严格校验操作数栈中数据的类型与指令要求是否匹配（如iadd只能处理 int 类型），不匹配则抛出VerifyError或ClassCastException。

7、异常场景

1、StackOverflowError：操作数栈深度超出编译期设定的最大值（多因方法递归过深、局部变量 / 运算过多导致栈帧整体过大）。

2、NullPointerException ：若操作数栈中存储的引用为 null，却执行调用实例方法 / 访问字段的指令（如invokevirtual）。

3、VerifyError ：字节码校验阶段发现操作数栈类型不匹配（如用ladd处理 int 数据）。