Java面试准备之JVM系列一

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介绍下 Java 内存区域(运行时数据区)

Java 虚拟机在执行 Java 程序的过程中会把它管理的内存划分成若干个不同的数据区域。JDK. 1.8 和之前的版本略有不同,下面会介绍到。

JDK1.6:

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JDK1.8:

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关于上述提到的线程共享和线程隔离区域,下图做详细讲解:

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接下来对每个具体的区域进行分析讲解。

1、程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间,可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。字节码解释器工作时通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令,分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等功能都需要依赖这个计数器来完。

另外,在多线程的情况下,为了线程切换后能恢复到正确的执行位置,每条线程都需要有一个独立的程序计数器,各线程之间计数器互不影响,独立存储,我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

类比汇编语言中的程序计数器:在汇编语言中,程序计数器是指 CPU 中的寄存器,它保存的是程序当前执行的指令的地址(也可以说保存下一条指令的所在存储单元的地址),当 CPU 执行指令时,需要从程序计数器中得到当前需要执行的指令所在存储单元的地址,然后根据得到的地址获取到指令,在得到指令之后,程序计数器便自动加 1 或者根据转移指针得到下一条指令的地址,如此循环,直至执行完所有的指令。

在 JVM 规范中规定,如果线程执行的是非 native 方法,则程序计数器中保存的是当前需要执行的指令的地址;如果线程执行的是 native 方法,则程序计数器中的值是 undefined。由于程序计数器中存储的数据所占空间的大小不会随程序的执行而发生改变,因此,此内存区域是唯一一个在 JVM 规范中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域。

2、Java 虚拟机栈

与程序计数器一样,Java虚拟机栈也是线程私有的,它的生命周期和线程相同,描述的是 Java 方法执行的内存模型,每次方法调用的数据都是通过栈传递的。

Java 内存可以粗糙的区分为堆内存(Heap)和栈内存(Stack),其中栈就是现在说的虚拟机栈,或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。 (实际上,Java 虚拟机栈是由一个个栈帧组成,而每个栈帧中都拥有:局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息。)

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①局部变量表

主要存放了基本类型数据、对象引用(reference类型,它不同于对象本身,可能是一个指向对象起始地址的引用指针,也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置)和 returnAddress 类型(指向了一条字节码指令的地址)。

②操作数栈

想必学过数据结构中的栈的朋友想必对表达式求值问题不会陌生,栈最典型的一个应用就是用来对表达式求值。想想一个线程执行方法的过程中,实际上就是不断执行语句的过程,而归根到底就是进行计算的过程。因此可以这么说,程序中的所有计算过程都是在借助于操作数栈来完成的

③动态链接

因为在方法执行的过程中有可能需要用到类中的常量,所以必须要有一个引用指向运行时常量。

④方法出口信息

当一个方法执行完毕之后,要返回之前调用它的地方,因此在栈帧中必须保存一个方法返回地址。由于每个线程正在执行的方法可能不同,因此每个线程都会有一个自己的Java栈,互不干扰。也就解释了栈是线程私有的。

Java 虚拟机栈会出现两种异常:StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError。

  • StackOverFlowError: 若 Java 虚拟机栈的内存大小不允许动态扩展,那么当线程请求栈的深度超过当前 Java 虚拟机栈的最大深度的时候,就抛出 StackOverFlowError 异常。
  • OutOfMemoryError: 若 Java 虚拟机栈的内存大小允许动态扩展,且当线程请求栈时内存用完了,无法再动态扩展了,此时抛出 OutOfMemoryError 异常。

扩展:那么方法/函数如何调用?

当线程执行一个方法时,就会随之创建一个对应的栈帧,并将建立的栈帧压栈。当方法执行完毕之后,便会将栈帧出栈。因此可知,线程当前执行的方法所对应的栈帧必定位于Java栈的顶部。

Java 方法有两种返回方式:return 语句和抛出异常。不管哪种返回方式都会导致栈帧被弹出。

3、本地方法栈

和虚拟机栈所发挥的作用非常相似,区别是: 虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法 (也就是字节码)服务,而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native 方法服务。 在 HotSpot 虚拟机中和 Java 虚拟机栈合二为一。

本地方法被执行的时候,在本地方法栈也会创建一个栈帧,用于存放该本地方法的局部变量表、操作数栈、动态链接、出口信息。

方法执行完毕后相应的栈帧也会出栈并释放内存空间,也会出现 StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError 两种异常。

4、堆

堆是 JVM 内存管理的最大的一块区域,此内存区域的唯一目的就是存放对象的实例,所有对象实例与数组都要在堆上分配内存。它也是垃圾收集器的主要管理区域。java 堆可以处于物理上不连续的空间,只要逻辑上是连续的即可。线程共享的区域。如果在堆中没有内存完成实例分配,并且堆也无法再扩展时,将抛出 OutOfMemoryError 异常。

为了支持垃圾收集,堆被分为三个部分:

  • 年轻代 : 常常又被划分为Eden区和Survivor(From Survivor To Survivor)区(Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间(空间分配比例是8:1:1)
  • 老年代
  • 永久代 (jdk 8已移除永久代,下面会讲解)

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(1)堆是 JVM 中所有线程共享的,因此在其上进行对象内存的分配均需要进行加锁,这也导致了 new 对象的开销是比较大的。

(2)Sun Hotspot JVM 为了提升对象内存分配的效率,对于所创建的线程都会分配一块独立的空间 TLAB(Thread Local Allocation Buffer),其大小由 JVM 根据运行的情况计算而得,在 TLAB 上分配对象时不需要加锁,因此 JVM 在给线程的对象分配内存时会尽量的在 TLAB 上分配,在这种情况下 JVM 中分配对象内存的性能和 C 基本是一样高效的,但如果对象过大的话则仍然是直接使用堆空间分配。

(3)TLAB 仅作用于新生代的 Eden Space,因此在编写 Java 程序时,通常多个小的对象比大的对象分配起来更加高效。

(4)所有新创建的 Object 都将会存储在新生代 Yong Generation 中。如果 Young Generation 的数据在一次或多次 GC 后存活下来,那么将被转移到 OldGeneration。新的 Object 总是创建在 Eden Space。

5、方法区

方法区与 Java 堆一样,是各个线程共享的内存区域,它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虽然 Java 虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分,但是它却有一个别名叫做 Non-Heap(非堆),目的应该是与 Java 堆区分开来。当方法区无法满足内存分配需求时,将抛出OutOfMemoryError异常。

方法区也被称为永久代。很多人都会分不清方法区和永久代的关系,为此我也查阅了文献。

(1)方法区和永久代的关系

《Java虚拟机规范》只是规定了有方法区这么个概念和它的作用,并没有规定如何去实现它。那么,在不同的 JVM 上方法区的实现肯定是不同的了。 方法区和永久代的关系很像 Java 中接口和类的关系,类实现了接口,而永久代就是 HotSpot 虚拟机对虚拟机规范中方法区的一种实现方式。 也就是说,永久代是 HotSpot 的概念,方法区是 Java 虚拟机规范中的定义,是一种规范,而永久代是一种实现,一个是标准一个是实现,其他的虚拟机实现并没有永久代这一说法。

(2)常用参数

JDK 1.8 之前永久代还没被彻底移除的时候通常通过下面这些参数来调节方法区大小

-XX:PermSize=N //方法区(永久代)初始大小
-XX:MaxPermSize=N //方法区(永久代)最大大小,超过这个值将会抛出OutOfMemoryError异常:java.lang.OutOfMemoryError: PermGen

相对而言,垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的,但并非数据进入方法区后就“永久存在”了。

JDK 1.8 的时候,方法区(HotSpot的永久代)被彻底移除了(JDK1.7就已经开始了),取而代之是元空间,元空间使用的是本地内存。

下面是一些常用参数:

-XX:MetaspaceSize=N //设置Metaspace的初始(和最小大小)
-XX:MaxMetaspaceSize=N //设置Metaspace的最大大小

与永久代很大的不同就是,如果不指定大小的话,随着更多类的创建,虚拟机会耗尽所有可用的系统内存。

(3)为什么要将永久代(PermGen)替换为元空间(MetaSpace)呢?

  • 官方文档:移除永久代是为融合 HotSpot JVM与 JRockit VM 而做出的努力,因为 JRockit 没有永久代,不需要配置永久代

  • 永久代有一个 JVM 本身设置固定大小上限,无法进行调整,而元空间使用的是本地内存,受本机可用内存的限制,并且永远不会得到 java.lang.OutOfMemoryError。你可以使用 -XX:MaxMetaspaceSize 标志设置最大元空间大小,默认值为 unlimited,这意味着它只受系统内存的限制。-XX:MetaspaceSize 调整标志定义元空间的初始大小如果未指定此标志,则 Metaspace 将根据运行时的应用程序需求动态地重新调整大小。

6、运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分。Class 文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外,还有一项信息是常量池( Constant pool table),用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用,这部分内容将在类加载后进入运行时常量池中存放。运行时常量池相对于 class 文件常量池的另外一个特性是具备动态性,Java 语言并不要求常量一定只有编译器才产生,也就是并非预置入 class 文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池,运行期间也可能将新的常量放入池中。

推荐阅读:Java 中方法区与常量池

扩展:运行时常量池位置变化

在 JDK1.7 之前运行时常量池和字符串常量池存放在方法区, 此时 hotspot 虚拟机对方法区的实现为永久代

在 JDK1.7 字符串常量池从方法区移到了堆中, 这里没有提到运行时常量池,也就是说字符串常量池被单独拿到堆,运行时常量池还在方法区, 也就是 hotspot 中的永久代。

在 JDK1.8 hotspot 移除了永久代用元空间(Metaspace)取而代之, 这时候字符串常量池还在堆, 运行时常量池还在方法区, 只不过方法区的实现从永久代变成了元空间(Metaspace)。

7、直接内存

直接内存(Direct Memory)并不是虚拟机运行时数据区的一部分,也不是 JVM 规范中定义的内存区域。但这部分内存也被频繁的使用,而且也可能导致 OutOfMemoryError 异常出现。

JDK1.4 中新引入了 NIO 机制,它是一种基于通道与缓冲区的新 I/O 方式,可以直接从操作系统中分配直接内存,即直接堆外分配内存,这样能在一些场景中提高性能,因为避免了在 Java 堆和 Native 堆中来回复制数据。

Java中的对象创建有多少种方式?

Java 中有很多方式可以创建一个对象,最简单的方式就是使用new关键字。

User user = new User();

除此以外,还可以使用反射机制创建对象:

User user = User.class.newInstance();

或者使用 Constructor 类的 newInstance:

Constructor<User> constructor = User.class.getConstructor();
User user = constructor.newInstance();

除此之外还可以使用 clone 方法、反序列化以及 Unsafe 类的方式,这两种方式不常用并且代码比较复杂,感兴趣的朋友可以阅读 java创建对象的五种方式

说一下 Java 对象的创建过程

关于对象的创建,用图解的形式展示:

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从图中我们可以发现对象创建的步骤如下:

  1. 类加载检查: 虚拟机遇到一条 new 指令时,首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到这个类的符号引用,并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载过、解析和初始化过。如果没有,那必须先执行相应的类加载过程。

  2. 内存分配: 在类加载检查通过后,接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需的内存大小在类加载完成后便可确定,为对象分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从 Java 堆中划分出来。

  3. 初始化零值: 内存分配完成后,虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值(不包括对象头),这一步操作保证了对象的实例字段在 Java 代码中可以不赋初始值就直接使用,程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。
  4. 设置对象头: 初始化零值完成之后,虚拟机要对对象进行必要的设置,例如这个对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希吗、对象的 GC 分代年龄等信息。 这些信息存放在对象头中。 另外,根据虚拟机当前运行状态的不同,如是否启用偏向锁等,对象头会有不同的设置方式。
  5. 执行 init 方法: 在上面工作都完成之后,从虚拟机的视角来看,一个新的对象已经产生了,但从 Java 程序的视角来看,对象创建才刚开始, 方法还没有执行,所有的字段都还为零。所以一般来说,执行 new 指令之后会接着执行 方法,把对象按照程序员的意愿进行初始化,这样一个真正可用的对象才算完全产生出来。
  6. Java 虚拟机栈中的 Reference 指向我们刚刚创建的对象。

你了解内存分配方式吗?

分配方式有 “指针碰撞” 和 “空闲列表” 两种,选择哪种分配方式由 Java 堆是否规整决定,而Java堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。

选择以上两种方式中的哪一种,取决于 Java 堆内存是否规整。而 Java 堆内存是否规整,取决于 GC 收集器的算法是"标记-清除",还是"标记-整理"(也称作"标记-压缩"),值得注意的是,复制算法内存也是规整的。

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关于内存分配并发问题,你有什么解决方案?

在创建对象的时候有一个很重要的问题,就是线程安全,因为在实际开发过程中,创建对象是很频繁的事情,作为虚拟机来说,必须要保证线程是安全的,通常来讲,虚拟机采用两种方式来保证线程安全:

  • CAS+失败重试: CAS 是乐观锁的一种实现方式。所谓乐观锁就是,每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作,如果因为冲突失败就重试,直到成功为止。虚拟机采用 CAS 配上失败重试的方式保证更新操作的原子性。
  • TLAB: 为每一个线程预先在 Eden 区分配一块儿内存,JVM 在给线程中的对象分配内存时,首先在 TLAB 分配,当对象大于 TLAB 中的剩余内存或 TLAB 的内存已用尽时,再采用上述的 CAS 进行内存分配。

Java所有堆内存都是线程共享的吗?

1、堆是线程共享的内存区域,栈是线程独享的内存区域。

2、堆中主要存放对象实例,栈中主要存放各种基本数据类型、对象的引用。

我们在上面提到过 TLAB 技术,即 eden 区域中有一部分空间是分配给线程独享的。值得注意的是,我们说TLAB是线程独享的,但是只是在“分配”这个动作上是线程独占的,至于在读取、垃圾回收等动作上都是线程共享的。而且在使用上也没有什么区别。

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换言之,虽然每个线程在初始化时都会去堆内存中申请一块 TLAB,并不是说这个 TLAB 区域的内存其他线程就完全无法访问了,其他线程的读取还是可以的,只不过无法在这个区域中分配内存而已。

总结: “堆是线程共享的内存区域”,这句话并不完全正确,需要额外注意 TLAB 这块特殊的空间。

参考文献:Java堆内存是线程共享的!面试官:你确定吗?

说一下类加载机制

我们上面说的加载不是指类加载机制,它只是类加载机制中的第一步加载。具体如下:

在代码编译后,就会生成 JVM(Java虚拟机)能够识别的二进制字节流文件(*.class)。而 JVM 把 Class 文件中的类描述数据从文件加载到内存,并对数据进行校验、转换解析、初始化,使这些数据最终成为可以被 JVM 直接使用的 Java 类型,这个说来简单但实际复杂的过程叫做 JVM 的类加载机制。

Class 文件中的“类”从加载到 JVM 内存中,到卸载出内存过程有七个生命周期阶段。类加载机制包括了前五个阶段。

如下图所示:

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其中,加载、验证、准备、初始化、卸载的开始顺序是确定的,注意,只是按顺序开始,进行与结束的顺序并不一定。解析阶段可能在初始化之后开始。

另外,类加载无需等到程序中“首次使用”的时候才开始,JVM预先加载某些类也是被允许的。(类加载的时机)

JVM 在类的加载过程主要做三件事情:

1、通过一个类的全限定名(包名与类名)来获取定义此类的二进制字节流(Class文件)。而获取的方式,可以通过jar包、war包、网络中获取、JSP文件生成等方式。

2、将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构。这里只是转化了数据结构,并未合并数据。(方法区就是用来存放已被加载的类信息,常量,静态变量,编译后的代码的运行时内存区域)

3、在内存中生成一个代表这个类的 Java.lang.Class 对象,作为方法区这个类的各种数据的访问入口。这个Class对象并没有规定是在 Java 堆内存中,它比较特殊,虽为对象,但存放在方法区中。

讲述一下类的初始化场景

虚拟机中严格规定了有且只有5种情况必须对类进行初始化。

  • 执行 new、getstatic、putstatic 和 invokestatic 指令;
  • 使用 reflect 对类进行反射调用;
  • 初始化一个类的时候,父类还没有初始化,会事先初始化父类;
  • 启动虚拟机时,需要初始化包含 main 方法的类;
  • 在 JDK1.7 中,如果 java.lang.invoke.MethodHandler 实例最后的解析结果 REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic 的方法句柄,并且这个方法句柄对应的类没有进行初始化;

以下几种情况,不会触发类初始化

1、通过子类引用父类的静态字段,只会触发父类的初始化,而不会触发子类的初始化。

2、定义对象数组,不会触发该类的初始化。

3、常量在编译期间会存入调用类的常量池中,本质上并没有直接引用定义常量的类,不会触发定义常量所在的类。

4、通过类名获取 Class 对象,不会触发类的初始化。

5、通过 Class.forName 加载指定类时,如果指定参数 initialize 为 false 时,也不会触发类初始化,其实这个参数是告诉虚拟机,是否要对类进行初始化。

Class clazz = Class.forName("com.msdn.domain.Cat", false, Cat.class.getClassLoader());

6、通过 ClassLoader 默认的 loadClass 方法,也不会触发初始化动作。

new ClassLoader(){}.loadClass("com.msdn.domain.Cat");

关于 JVM 类加载的讲解可以参看:JVM类加载过程JVM类加载的那些事

简述一下对象的内存布局

在 JVM 中,对象在内存中的布局分为三块区域:对象头、实例数据和对齐填充。如下:
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对象头

对象头包括两部分信息:运行时数据和类型指针,如果对象是一个数组,还需要一块用于记录数组长度的数据。

运行时数据包括哈希码(HashCode)、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向锁ID和偏向时间戳等,这部分数据在32位和64位虚拟机中的长度分别为32bit和64bit,官方称为"Mark Word"。Mark Word被设计成非固定的数据结构,以实现在有限空间内保存尽可能多的数据。

如32位 JVM 下,除了上述列出的 Mark Word 默认存储结构外,还有如下可能变化的结构:

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类型指针指向该对象的类元数据,虚拟机通过这个指针可以确定该对象是哪个类的实例。

实例数据

实例数据就是在程序代码中所定义的各种类型的字段,包括从父类继承的,这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略和字段在源码中定义顺序的影响。

对齐填充

由于 HotSpot 的自动内存管理要求对象的起始地址必须是8字节的整数倍,即对象的大小必须是8字节的整数倍,对象头的数据正好是8的整数倍,所以当实例数据不够8字节整数倍时,需要通过对齐填充进行补全。

对象的访问定位有哪两种方式?

建立对象就是为了使用对象,我们的 Java 程序通过栈上的 reference 数据来操作堆上的具体对象。对象的访问方式由虚拟机实现而定,目前主流的访问方式有①使用句柄和②直接指针两种:

  • 使用句柄访问方式,Java 堆将会划分出来一部分内存去来作为句柄池,reference 中存储的就是对象的句柄地址。而句柄中则包含对象实例数据的地址和对象类型数据(如对象的类型,实现的接口、方法、父类、field等)的具体地址信息。

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  • 如果使用指针访问,那么 Java 堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型的相关信息(如对象的类型,实现的接口、方法、父类、field等),而 reference 中存储的就是对象的地址。

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这两种对象访问方式各有优势。使用句柄来访问的最大好处是 reference 中存储的是稳定的句柄地址,在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针,而 reference 本身不需要修改。使用直接指针访问方式最大的好处就是速度快,它节省了一次指针定位的时间开销。

推荐阅读:https://blog.csdn.net/u010069220/article/details/46832157

说一下堆内存中对象的分配的基本策略

堆空间的基本结构:

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上图所示的 eden 区、s0 区、s1 区都属于新生代,tentired 区属于老年代。大部分情况,对象都会首先在 Eden 区域分配,在一次新生代垃圾回收后,如果对象还存活,则会进入 s0 或者 s1,并且对象的年龄还会加 1(Eden区->Survivor 区后对象的初始年龄变为1),当它的年龄增加到一定程度(默认为15岁),就会被晋升到老年代中。对象晋升到老年代的年龄阈值,可以通过参数 -XX:MaxTenuringThreshold 来设置。

另外,大对象(需要大量连续内存空间的 Java 对象,比如很长的字符串及数组)和长期存活的对象会直接进入老年代。

如何获取堆和栈的dump文件?

Java Dump,Java 虚拟机的运行时快照。将 Java 虚拟机运行时的状态和信息保存到文件。

可以使用在服务器上使用jmap命令来获取堆 dump,使用jstack命令来获取线程的调用栈 dump。

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