第一部分：JVM 概述

1.1 JVM 簡介

Java Virtual Machine（JVM） 是 Java 語言的核心組件，負(fù)責(zé)將 Java 程序編譯后的字節(jié)碼（bytecode）轉(zhuǎn)換為機(jī)器指令，并在目標(biāo)機(jī)器上執(zhí)行。JVM 提供了硬件和操作系統(tǒng)的抽象，使得 Java 程序具有跨平臺的特性，即“一次編寫，隨處運行”（Write Once, Run Anywhere）。

JVM 的核心作用:

• 字節(jié)碼執(zhí)行：JVM 負(fù)責(zé)執(zhí)行 Java 編譯器生成的字節(jié)碼文件（.class 文件）。
• 內(nèi)存管理：JVM 提供自動的內(nèi)存管理機(jī)制，通過垃圾回收（Garbage Collection, GC）回收無用對象，避免了內(nèi)存泄漏。
• 線程管理：JVM 為 Java 提供了多線程支持，管理線程的生命周期。
• 安全機(jī)制：JVM 提供了類加載器和安全管理器，確保執(zhí)行環(huán)境的安全性。

JVM 的跨平臺性:
Java 程序的跨平臺性是通過 JVM 實現(xiàn)的。每種操作系統(tǒng)和硬件架構(gòu)都對應(yīng)不同的 JVM 實現(xiàn)，Java 源代碼被編譯成字節(jié)碼后，由對應(yīng)平臺的 JVM 執(zhí)行，確保程序無需修改就能在不同平臺上運行。

1.2 JVM 運行原理簡述

JVM 的工作流程大致分為以下幾個步驟：

1. 編譯：Java 源代碼（.java 文件）通過 Java 編譯器（javac）編譯為字節(jié)碼文件（.class 文件）。
2. 類加載：JVM 的類加載器將字節(jié)碼文件加載到內(nèi)存，并進(jìn)行必要的驗證和準(zhǔn)備工作。
3. 字節(jié)碼執(zhí)行：JVM 執(zhí)行字節(jié)碼文件，將其轉(zhuǎn)換為對應(yīng)平臺的機(jī)器碼，并通過解釋器或即時編譯器（JIT）執(zhí)行。
4. 內(nèi)存管理和垃圾回收：JVM 在執(zhí)行過程中自動管理內(nèi)存分配，定期通過垃圾回收器回收不再使用的對象。
5. 線程調(diào)度和并發(fā)控制：JVM 提供多線程支持，調(diào)度和管理 Java 線程的執(zhí)行。

1.3 JVM 與 JRE、JDK 的關(guān)系

Java 開發(fā)環(huán)境中常常提到三個重要的組成部分：JDK、JRE 和 JVM。

1. JVM（Java Virtual Machine）:

   • JVM 是 Java 程序的運行環(huán)境，負(fù)責(zé)執(zhí)行字節(jié)碼文件。它是一種虛擬機(jī)，專門為 Java 設(shè)計。

2. JRE（Java Runtime Environment）:

   • JRE 是 Java 程序的運行時環(huán)境，它包含了 JVM 以及 Java 標(biāo)準(zhǔn)類庫（如 Java 核心庫、用戶界面庫等）。簡單來說，JRE 是 Java 程序運行所必需的環(huán)境，但不包含開發(fā)工具。

3. JDK（Java Development Kit）:

   • JDK 是 Java 的開發(fā)工具包，包含了開發(fā)和調(diào)試 Java 程序所需要的工具（如編譯器 javac、打包工具 jar 等）以及 JRE。因此，JDK 是開發(fā)者所使用的完整工具包，而 JRE 則是專用于運行 Java 程序的環(huán)境。

關(guān)系圖：

JDK├── JRE│    ├── JVM│    └── Java 核心類庫└── 開發(fā)工具（javac、jar 等）

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1.4 面試常見問題：

1. 什么是 JVM，它的作用是什么？

   • JVM 是 Java 虛擬機(jī)，負(fù)責(zé)執(zhí)行 Java 字節(jié)碼文件、管理內(nèi)存、處理線程調(diào)度等。

2. JVM、JRE 和 JDK 之間的區(qū)別是什么？

   • JVM 是虛擬機(jī)，用于執(zhí)行字節(jié)碼；JRE 是包含 JVM 和標(biāo)準(zhǔn)類庫的運行環(huán)境；JDK 是包含開發(fā)工具和 JRE 的完整開發(fā)包。

3. JVM 如何實現(xiàn)跨平臺？

   • Java 程序通過編譯生成字節(jié)碼，JVM 將字節(jié)碼轉(zhuǎn)換為對應(yīng)平臺的機(jī)器碼，每個平臺都有其對應(yīng)的 JVM 實現(xiàn)，因此實現(xiàn)了跨平臺性。

1.5 JVM 結(jié)構(gòu)

JVM 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜且精妙，由多個模塊組成，各模塊協(xié)同工作，保證 Java 程序的高效執(zhí)行。理解 JVM 的結(jié)構(gòu)可以幫助我們在面試中更好地回答性能調(diào)優(yōu)、類加載等相關(guān)問題。

JVM 的核心結(jié)構(gòu)可以劃分為以下幾個模塊：

1. 類加載器（Class Loader）

   • 負(fù)責(zé)將字節(jié)碼文件（.class 文件）加載到 JVM 內(nèi)存中。
   • 類加載器使用了一種叫做 雙親委派模型 的機(jī)制來保證類的加載順序（將在后續(xù)章節(jié)詳細(xì)介紹）。
   • 類加載器的作用是將外部的類文件讀取進(jìn)內(nèi)存，同時對類文件進(jìn)行校驗、解析、準(zhǔn)備和初始化。

2. 運行時數(shù)據(jù)區(qū)（Runtime Data Areas）

   • JVM 在執(zhí)行 Java 程序時，會將數(shù)據(jù)存儲在不同的內(nèi)存區(qū)域。運行時數(shù)據(jù)區(qū)可以大致分為以下幾個部分：
     • 方法區(qū)（Method Area）：存儲已加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時編譯后的代碼等，屬于線程共享的內(nèi)存區(qū)。
     • 堆（Heap）：存儲對象實例和數(shù)組，所有線程共享的內(nèi)存區(qū)，堆是垃圾回收（GC）的重點區(qū)域。
     • 虛擬機(jī)棧（JVM Stack）：每個線程都會創(chuàng)建一個虛擬機(jī)棧，用于存儲局部變量、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接、方法出口等信息。每個方法在執(zhí)行時都會創(chuàng)建一個棧幀（Stack Frame）。
     • 程序計數(shù)器（Program Counter Register）：每個線程都有一個獨立的程序計數(shù)器，記錄當(dāng)前線程執(zhí)行的字節(jié)碼指令的地址。
     • 本地方法棧（Native Method Stack）：與 JVM Stack 類似，但用于存儲本地方法調(diào)用時的相關(guān)信息。

3. 執(zhí)行引擎（Execution Engine）

   • JVM 的執(zhí)行引擎負(fù)責(zé)解釋并執(zhí)行字節(jié)碼文件。它分為兩種執(zhí)行模式：
     • 解釋執(zhí)行：逐行解釋字節(jié)碼并執(zhí)行。
     • 即時編譯執(zhí)行（Just-In-Time, JIT）：將熱點代碼編譯為機(jī)器碼，直接在 CPU 上執(zhí)行以提高性能。
   • JVM 還會利用多種優(yōu)化技術(shù)，如內(nèi)聯(lián)、逃逸分析等，來提升代碼執(zhí)行效率（將在后續(xù)章節(jié)詳細(xì)講解）。

4. 本地方法接口（JNI，Java Native Interface）

   • JVM 通過 JNI 提供調(diào)用非 Java 代碼的能力，例如調(diào)用 C/C++ 編寫的底層代碼或操作系統(tǒng)原生方法。
   • JNI 的作用是幫助 JVM 擴(kuò)展與底層系統(tǒng)的交互功能，尤其是在需要調(diào)用特定硬件或者優(yōu)化性能時。

5. 垃圾回收器（Garbage Collector）

   • JVM 提供自動內(nèi)存管理機(jī)制，垃圾回收器負(fù)責(zé)回收不再被引用的對象，防止內(nèi)存泄漏。
   • 垃圾回收器通過不同的算法（如標(biāo)記-清除、標(biāo)記-整理、分代收集等）和回收器（如 Serial、CMS、G1 等）執(zhí)行垃圾回收。

1.6 面試常見問題：

1. JVM 的核心組成部分有哪些？

   • JVM 包含類加載器、運行時數(shù)據(jù)區(qū)、執(zhí)行引擎、本地方法接口、垃圾回收器等核心模塊。

2. JVM 的運行時數(shù)據(jù)區(qū)是如何劃分的？

   • JVM 的內(nèi)存模型分為方法區(qū)、堆、虛擬機(jī)棧、程序計數(shù)器和本地方法棧，每個區(qū)域有不同的用途和生命周期。

3. 執(zhí)行引擎中解釋器與即時編譯器（JIT）的區(qū)別是什么？

   • 解釋器逐行解釋字節(jié)碼并執(zhí)行，而 JIT 編譯器將熱點代碼編譯為機(jī)器碼直接執(zhí)行，以提高性能。

4. 什么是 JNI（Java Native Interface），它的作用是什么？

   • JNI 是 Java 與其他編程語言（如 C/C++）交互的接口，允許 Java 程序調(diào)用本地代碼和系統(tǒng) API。

第二部分：JVM 內(nèi)存模型

2.1 JVM 內(nèi)存區(qū)域劃分

JVM 在運行時將內(nèi)存劃分為多個區(qū)域，每個區(qū)域負(fù)責(zé)不同的任務(wù)，合理的內(nèi)存劃分幫助 JVM 高效地管理應(yīng)用程序的資源。JVM 的內(nèi)存模型大致可以分為以下幾個部分：

1. 方法區(qū)（Method Area）

   • 作用：方法區(qū)存儲已加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時編譯后的代碼等。
   • 特點：
     • 屬于線程共享的區(qū)域，每個線程都可以訪問方法區(qū)。
     • 方法區(qū)中還包含了運行時常量池（Runtime Constant Pool），用于存儲編譯期生成的各種字面量和符號引用。
     • 方法區(qū)在 JVM 規(guī)范中是邏輯上的概念，在不同的 JVM 實現(xiàn)中可能會有所差異。在 HotSpot 虛擬機(jī)中，方法區(qū)被稱為“永久代（Permanent Generation）”，但在 Java 8 中，永久代被元空間（Metaspace）取代。

2. 堆（Heap）

   • 作用：堆是 JVM 中用于存儲對象實例的區(qū)域，幾乎所有的對象實例和數(shù)組都存儲在堆中。
   • 特點：
     • 堆是所有線程共享的內(nèi)存區(qū)域，是垃圾回收的重點區(qū)域。
     • Java 堆在邏輯上分為新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。新生代進(jìn)一步劃分為 Eden 區(qū)和兩個 Survivor 區(qū)（S0 和 S1），用于存儲新創(chuàng)建的對象。
     • 堆內(nèi)存大小可以通過 -Xms 和 -Xmx 參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，-Xms 指定堆的初始大小，-Xmx 指定堆的最大大小。

3. 虛擬機(jī)棧（JVM Stack）

   • 作用：每個線程在執(zhí)行 Java 方法時都會創(chuàng)建一個棧幀，用于存儲局部變量、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接、方法出口等信息，虛擬機(jī)棧是這些棧幀的集合。
   • 特點：
     • 每個線程都有自己獨立的虛擬機(jī)棧，線程執(zhí)行時，棧幀按照方法調(diào)用順序進(jìn)棧、出棧。
     • 如果線程請求的棧深度大于虛擬機(jī)棧的最大深度，會拋出 StackOverflowError。
     • 如果虛擬機(jī)棧無法申請到足夠內(nèi)存時，會拋出 OutOfMemoryError。

4. 程序計數(shù)器（Program Counter Register）

   • 作用：程序計數(shù)器是一個較小的內(nèi)存區(qū)域，用于存儲當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼指令的地址。
   • 特點：
     • 每個線程都有獨立的程序計數(shù)器，用于記錄該線程下一條要執(zhí)行的字節(jié)碼指令位置。
     • 如果線程執(zhí)行的是本地方法，程序計數(shù)器的值為空（Undefined）。
     • 程序計數(shù)器是 JVM 中唯一不會發(fā)生內(nèi)存溢出的區(qū)域。

5. 本地方法棧（Native Method Stack）

   • 作用：本地方法棧用于存儲每個線程執(zhí)行的本地方法的相關(guān)信息，類似于虛擬機(jī)棧，但它為本地方法（Native 方法）服務(wù)。
   • 特點：
     • 本地方法棧為 Java 調(diào)用 C/C++ 等本地方法時提供了支持。
     • 與虛擬機(jī)棧類似，本地方法棧在某些情況下也可能拋出 StackOverflowError 或 OutOfMemoryError。

2.2 運行時常量池

運行時常量池（Runtime Constant Pool） 是方法區(qū)的一部分，用于存儲編譯期生成的常量，如字符串常量、數(shù)值常量等，以及類、方法的符號引用。

特點：

• 動態(tài)性：與 Class 文件中的常量池不同，運行時常量池支持動態(tài)添加常量。例如，運行時通過 String.intern() 方法將字符串放入常量池。
• 內(nèi)存溢出：當(dāng)常量池?zé)o法申請到足夠內(nèi)存時，也會拋出 OutOfMemoryError。

2.3 Java 內(nèi)存模型（JMM）

Java 內(nèi)存模型（Java Memory Model, JMM）定義了 Java 程序中多線程操作的內(nèi)存可見性規(guī)則，確保不同線程之間對共享變量的讀寫操作有序可見。

1. 可見性：

   • 當(dāng)一個線程對共享變量進(jìn)行了修改，其他線程應(yīng)該立即看到修改結(jié)果。
   • volatile 關(guān)鍵字可以確保變量的可見性，強(qiáng)制將修改后的變量值同步到主內(nèi)存。

2. 有序性：

   • Java 程序中的操作可能會因為編譯器優(yōu)化或 CPU 的亂序執(zhí)行而導(dǎo)致執(zhí)行順序與代碼順序不同。
   • synchronized 和 volatile 關(guān)鍵字可以確保操作的有序性。

3. 原子性：

   • 原子性意味著一個操作是不可分割的，中間不會被打斷。
   • Java 的基本數(shù)據(jù)類型賦值是原子操作，long 和 double 類型的賦值在 32 位 JVM 中不是原子的。synchronized 和 Lock 可以確保多線程情況下的原子性操作。

2.4 面試常見問題：

1. JVM 中堆與棧的區(qū)別是什么？

   • 堆是存儲對象實例的區(qū)域，屬于線程共享的內(nèi)存；棧是線程私有的內(nèi)存區(qū)域，用于存儲局部變量、方法調(diào)用信息。

2. 程序計數(shù)器的作用是什么？

   • 程序計數(shù)器記錄當(dāng)前線程正在執(zhí)行的字節(jié)碼指令的地址，確保線程切換后能正確恢復(fù)執(zhí)行。

3. JVM 內(nèi)存劃分的區(qū)域有哪些？

   • JVM 運行時內(nèi)存劃分為方法區(qū)、堆、虛擬機(jī)棧、程序計數(shù)器和本地方法棧，每個區(qū)域有不同的職責(zé)。

4. 什么是 Java 內(nèi)存模型（JMM），它解決了什么問題？

   • JMM 規(guī)定了 Java 程序中多線程操作共享變量時的可見性、有序性和原子性，確保線程安全。

第三部分：類加載機(jī)制

3.1 類加載過程

類加載機(jī)制是 JVM 的核心之一，它負(fù)責(zé)將類從字節(jié)碼文件加載到內(nèi)存并準(zhǔn)備執(zhí)行。類加載過程主要分為以下五個階段：

1. 加載（Loading）：

   • 通過類的全限定名來獲取該類的字節(jié)碼內(nèi)容，并將其轉(zhuǎn)換成 JVM 可以識別的類對象（java.lang.Class）。
   • 在加載過程中，JVM 會根據(jù)類的全限定名找到對應(yīng)的字節(jié)碼文件（通常是 .class 文件），然后通過類加載器（ClassLoader）加載到內(nèi)存中。

2. 驗證（Verification）：

   • 確保字節(jié)碼文件的正確性和安全性，防止惡意代碼損害 JVM 的運行。
   • 驗證的過程包括文件格式驗證、元數(shù)據(jù)驗證、字節(jié)碼驗證和符號引用驗證。例如，它會確保類文件的格式正確、沒有非法的操作碼等。

3. 準(zhǔn)備（Preparation）：

   • 為類的靜態(tài)變量分配內(nèi)存，并將其初始化為默認(rèn)值（如 0、null）。
   • 這一步不會給變量賦值實際的值，只會分配內(nèi)存空間并初始化為默認(rèn)值，真正的賦值操作會在初始化階段完成。

4. 解析（Resolution）：

   • 將常量池中的符號引用（Symbolic Reference）替換為直接引用（Direct Reference）。
   • 解析的目標(biāo)是將常量池中的符號引用轉(zhuǎn)化為內(nèi)存地址，如類、字段、方法等引用都會在解析階段被轉(zhuǎn)換為實際的內(nèi)存地址。

5. 初始化（Initialization）：

   • 執(zhí)行類的靜態(tài)代碼塊（<clinit> 方法）和靜態(tài)變量的初始化。
   • 在這個階段，類的靜態(tài)變量會被賦值為程序員指定的值，執(zhí)行順序依照代碼中的靜態(tài)代碼塊和靜態(tài)變量聲明順序。

3.2 類加載器

JVM 使用類加載器（ClassLoader）來加載類的字節(jié)碼文件。每個類在 JVM 中都有且只有一個類加載器負(fù)責(zé)加載它。Java 提供了多種類加載器，每種類加載器負(fù)責(zé)加載不同的類。

1. 啟動類加載器（Bootstrap ClassLoader）：

   • 作用：啟動類加載器是 JVM 內(nèi)置的，用于加載核心類庫（如 java.lang.*、java.util.* 等），這些類庫存放在 JRE/lib 目錄下。
   • 特點：啟動類加載器是由本地代碼實現(xiàn)的，它加載的是 JVM 啟動時所需的核心類，并且不繼承自 ClassLoader 類。

2. 擴(kuò)展類加載器（Extension ClassLoader）：

   • 作用：擴(kuò)展類加載器加載的是 JRE/lib/ext 目錄中的類或通過 java.ext.dirs 系統(tǒng)變量指定的類庫。
   • 特點：它是 ClassLoader 的子類，由 Java 編寫，主要加載一些擴(kuò)展類庫。

3. 應(yīng)用程序類加載器（Application ClassLoader）：

   • 作用：也稱為系統(tǒng)類加載器，負(fù)責(zé)加載用戶類路徑（classpath）下的類，幾乎所有應(yīng)用程序中的類都是由它加載的。
   • 特點：它是 ClassLoader 類的實例，可以通過 ClassLoader.getSystemClassLoader() 方法獲取。

4. 自定義類加載器（Custom ClassLoader）：

   • 作用：開發(fā)者可以通過繼承 ClassLoader 類實現(xiàn)自己的類加載器，以滿足特殊需求，比如動態(tài)加載類、網(wǎng)絡(luò)加載類等。
   • 特點：自定義類加載器允許開發(fā)者通過覆蓋 findClass() 方法來自定義類的加載方式。

3.3 雙親委派機(jī)制

雙親委派模型是 JVM 類加載機(jī)制中的一個重要原則，它規(guī)定當(dāng)類加載器加載某個類時，首先會將請求委派給父類加載器，父類加載器繼續(xù)向上委派，直到頂層的啟動類加載器。如果父類加載器無法加載該類，才會由當(dāng)前加載器嘗試加載。

雙親委派機(jī)制的優(yōu)點：

1. 避免重復(fù)加載：通過雙親委派機(jī)制，確保 Java 核心類庫不會被重復(fù)加載。
2. 安全性：防止自定義類加載器加載替代 Java 核心類的類，比如 java.lang.String 類，確保系統(tǒng)安全。

打破雙親委派模型：

• 在某些場景下，雙親委派模型需要被打破，例如通過自定義類加載器動態(tài)加載某些類。常見的例子是 Java 的 SPI 機(jī)制（Service Provider Interface），這需要使用 Thread.getContextClassLoader() 來加載自定義類。

3.4 面試常見問題：

1. 類加載的五個階段分別是什么？

   • 加載、驗證、準(zhǔn)備、解析、初始化。

2. 雙親委派模型的作用是什么？

   • 雙親委派模型確保類的加載遵循先父后子的原則，避免核心類庫被重復(fù)加載或篡改。

3. 自定義類加載器有什么應(yīng)用場景？

   • 自定義類加載器適用于動態(tài)加載類、模塊化加載等場景，如 OSGi 模塊化系統(tǒng)和熱部署等。

第四部分：JVM 垃圾回收

4.1 垃圾回收概述

JVM 提供了自動內(nèi)存管理機(jī)制，通過垃圾回收器（GC）來釋放不再使用的對象，避免內(nèi)存泄漏。垃圾回收的主要目標(biāo)是回收堆內(nèi)存中那些不可達(dá)的對象。

垃圾回收的必要性：

• 手動管理內(nèi)存容易導(dǎo)致內(nèi)存泄漏或內(nèi)存溢出，而 JVM 自動管理對象生命周期，減少了程序員的負(fù)擔(dān)。
• 在沒有垃圾回收的情況下，程序員需要手動釋放內(nèi)存，增加了開發(fā)復(fù)雜度和出錯幾率。

內(nèi)存泄漏與內(nèi)存溢出：

• 內(nèi)存泄漏：指對象不會再被程序使用，但由于存在引用，導(dǎo)致它無法被垃圾回收器回收。
• 內(nèi)存溢出（OutOfMemoryError）：指 JVM 在運行時無法分配足夠的內(nèi)存，通常是堆或方法區(qū)無法申請到足夠內(nèi)存空間。

4.2 垃圾回收算法

垃圾回收器使用不同的算法來識別和回收不再需要的對象，常見的垃圾回收算法有以下幾種：

1. 標(biāo)記-清除算法（Mark-Sweep）：

   • 過程：首先標(biāo)記出所有需要回收的對象，然后直接清除它們。
   • 優(yōu)點：實現(xiàn)簡單，不需要額外的內(nèi)存空間。
   • 缺點：標(biāo)記和清除過程效率低，并且會產(chǎn)生大量內(nèi)存碎片。

2. 復(fù)制算法（Copying）：

   • 過程：將存活的對象從當(dāng)前內(nèi)存區(qū)域復(fù)制到另一個區(qū)域，然后清空當(dāng)前區(qū)域。
   • 優(yōu)點：復(fù)制算法可以避免內(nèi)存碎片問題，分配內(nèi)存高效。
   • 缺點：需要額外的內(nèi)存空間進(jìn)行對象復(fù)制。

3. 標(biāo)記-整理算法（Mark-Compact）：

   • 過程：首先標(biāo)記出所有存活的對象，然后將存活對象壓縮到內(nèi)存的一端，最后清理掉未使用的內(nèi)存空間。
   • 優(yōu)點：避免了內(nèi)存碎片問題，不需要額外的內(nèi)存空間。
   • 缺點：移動存活對象的成本較高，適合老年代回收。

4. 分代收集算法（Generational Garbage Collection）：

   • 過程：將堆內(nèi)存劃分為新生代和老年代，不同代的對象使用不同的垃圾回收算法。
   • 優(yōu)點：適應(yīng)對象的生命周期特點，新生代回收頻繁，老年代回收較少。
   • 缺點：新生代和老年代的垃圾回收算法不同，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

4.3 垃圾回收器

垃圾回收器是具體執(zhí)行垃圾回收的組件，常見的垃圾回收器有：

1. Serial 垃圾回收器：

   • 單線程垃圾回收器，適用于單線程環(huán)境或內(nèi)存較小的客戶端應(yīng)用。

2. Parallel 垃圾回收器：

   • 多線程垃圾回收器，適用于多核 CPU，可以在多個 CPU 上并行執(zhí)行垃圾回收操作。

3. CMS（Concurrent Mark-Sweep）垃圾回收器：

   • 低停頓垃圾回收器，使用標(biāo)記-清除算法，在應(yīng)用運行過程中并發(fā)執(zhí)行垃圾回收，適用于需要較短停頓時間的應(yīng)用。

4. G1（Garbage-First）垃圾回收器：

   • 面向服務(wù)端應(yīng)用的低停頓垃圾回收器，適用于大堆內(nèi)存，能夠同時處理新生代和老年代的垃圾回收，避免 Full GC。

第五部分：JVM 性能調(diào)優(yōu)

5.1 常用 JVM 參數(shù)

JVM 提供了一系列參數(shù)，用于控制內(nèi)存大小、垃圾回收行為、性能調(diào)優(yōu)等。合理配置 JVM 參數(shù)能夠顯著提升 Java 應(yīng)用的運行效率。以下是一些常用的 JVM 參數(shù)：

1. 堆內(nèi)存大小設(shè)置：

   • -Xms：設(shè)置堆內(nèi)存的初始大小。例如，-Xms512m 表示 JVM 啟動時堆內(nèi)存大小為 512MB。
   • -Xmx：設(shè)置堆內(nèi)存的最大大小。例如，-Xmx1024m 表示 JVM 堆內(nèi)存最大可達(dá)到 1024MB。
   • 調(diào)優(yōu)建議：將 -Xms 和 -Xmx 設(shè)置為相同的值，可以避免 JVM 在運行過程中頻繁調(diào)整堆內(nèi)存大小，從而減少性能波動。

2. 棧內(nèi)存大小設(shè)置：

   • -Xss：設(shè)置每個線程的棧內(nèi)存大小。例如，-Xss512k 表示每個線程的棧內(nèi)存大小為 512KB。
   • 調(diào)優(yōu)建議：對于多線程應(yīng)用，適當(dāng)增加棧內(nèi)存大小可以避免棧溢出（StackOverflowError），但過大的棧內(nèi)存會消耗更多的物理內(nèi)存。

3. 垃圾回收器選擇：

   • -XX:+UseSerialGC：使用 Serial 垃圾回收器，適用于單線程應(yīng)用或資源受限的環(huán)境。
   • -XX:+UseParallelGC：使用 Parallel 垃圾回收器，適用于高吞吐量、多核 CPU 環(huán)境。
   • -XX:+UseConcMarkSweepGC：使用 CMS 垃圾回收器，適用于對低停頓時間有要求的場景。
   • -XX:+UseG1GC：使用 G1 垃圾回收器，適用于大堆內(nèi)存的低延遲應(yīng)用。
   • 調(diào)優(yōu)建議：選擇合適的垃圾回收器取決于應(yīng)用的特點，CMS 和 G1 更適合低延遲應(yīng)用，而 Parallel 更適合高吞吐量的服務(wù)端應(yīng)用。

4. 永久代/元空間設(shè)置：

   • -XX:PermSize：設(shè)置永久代的初始大小（適用于 Java 7 及以下版本）。
   • -XX:MaxPermSize：設(shè)置永久代的最大大小（適用于 Java 7 及以下版本）。
   • -XX:MetaspaceSize：設(shè)置元空間的初始大小（適用于 Java 8 及以上版本）。
   • -XX:MaxMetaspaceSize：設(shè)置元空間的最大大小（適用于 Java 8 及以上版本）。
   • 調(diào)優(yōu)建議：Java 8 及以上版本采用了元空間來替代永久代，適當(dāng)設(shè)置元空間大小可以避免 OutOfMemoryError。

5.2 性能調(diào)優(yōu)工具

JVM 提供了多種性能調(diào)優(yōu)工具，用于監(jiān)控和分析 Java 應(yīng)用的運行狀態(tài)，幫助開發(fā)者定位性能瓶頸。常用工具包括：

1. jstat：

   • 作用：用于監(jiān)控 JVM 運行時的內(nèi)存和垃圾回收情況。
   • 常用命令：
     • jstat -gc pid：顯示 GC 相關(guān)信息。
     • jstat -gcutil pid：顯示各代內(nèi)存使用情況。

2. jmap：

   • 作用：用于生成 Java 堆的內(nèi)存快照（heap dump），并可以分析堆中對象的占用情況。
   • 常用命令：
     • jmap -heap pid：查看 JVM 堆的詳細(xì)信息。
     • jmap -dump:format=b,file=heap_dump.hprof pid：生成堆快照文件。

3. jstack：

   • 作用：用于查看線程的堆棧信息，幫助分析線程死鎖、線程阻塞等問題。
   • 常用命令：
     • jstack pid：輸出當(dāng)前 JVM 進(jìn)程的線程堆棧信息。

4. jconsole：

   • 作用：JDK 自帶的圖形化監(jiān)控工具，用于監(jiān)控 JVM 的內(nèi)存、線程、CPU 使用情況。
   • 特點：直觀易用，適合實時監(jiān)控應(yīng)用的運行狀態(tài)。

5. VisualVM：

   • 作用：集成了多種分析功能，包括堆快照分析、GC 日志分析、CPU 和內(nèi)存使用分析等。
   • 特點：支持實時監(jiān)控和離線分析，適合分析性能問題和內(nèi)存泄漏。

6. MAT（Memory Analyzer Tool）：

   • 作用：用于分析 Java 堆快照，幫助定位內(nèi)存泄漏、分析大對象。
   • 特點：可以深入分析大對象及其引用關(guān)系，幫助開發(fā)者找到內(nèi)存泄漏的根源。

5.3 常見性能優(yōu)化策略

1. 減少 Full GC 觸發(fā)：

   • 問題：Full GC 是垃圾回收中最耗時的一種操作，會暫停所有應(yīng)用線程，影響應(yīng)用性能。
   • 優(yōu)化策略：
     • 通過 -Xms 和 -Xmx 設(shè)置合理的堆大小，避免頻繁的內(nèi)存分配和回收。
     • 使用 G1 或 CMS 垃圾回收器，這些回收器在執(zhí)行 Full GC 時更高效。
     • 優(yōu)化代碼中對象的生命周期，避免短命對象大量創(chuàng)建和長時間存活。

2. 內(nèi)存泄漏排查：

   • 問題：內(nèi)存泄漏會導(dǎo)致應(yīng)用的堆內(nèi)存不斷增長，最終觸發(fā) OutOfMemoryError。
   • 優(yōu)化策略：
     • 使用 jmap 生成堆快照，并用 MAT 分析內(nèi)存泄漏對象的引用鏈，找到泄漏源。
     • 避免全局靜態(tài)變量持有大對象引用，及時清理不再使用的對象。
     • 使用 WeakReference 或 SoftReference 代替強(qiáng)引用，減少對象不必要的長時間引用。

3. 方法區(qū)溢出優(yōu)化：

   • 問題：方法區(qū)（Java 8 之前稱為永久代）可能因類或方法過多而溢出，觸發(fā) OutOfMemoryError。
   • 優(yōu)化策略：
     • 使用 -XX:MaxMetaspaceSize 設(shè)置合理的元空間大小，避免方法區(qū)溢出。
     • 對于動態(tài)生成類的應(yīng)用，使用類卸載機(jī)制，及時卸載不再使用的類。

4. 線程調(diào)優(yōu)：

   • 問題：線程過多或線程資源爭用可能導(dǎo)致 CPU 利用率低或線程阻塞。
   • 優(yōu)化策略：
     • 使用 jstack 分析線程狀態(tài)，定位死鎖或線程饑餓問題。
     • 適當(dāng)減少線程池中線程數(shù)量，避免頻繁的上下文切換。

5.4 面試常見問題：

1. 如何通過 JVM 參數(shù)來調(diào)優(yōu) Java 應(yīng)用的性能？

   • 可以通過調(diào)整堆大小、選擇合適的垃圾回收器、設(shè)置棧大小等參數(shù)來優(yōu)化 JVM 性能。

2. 如何定位和解決內(nèi)存泄漏問題？

   • 使用 jmap 生成堆快照并結(jié)合 MAT 工具分析堆中的對象引用鏈，找到內(nèi)存泄漏的來源。

3. Full GC 是什么，它的觸發(fā)原因有哪些？

   • Full GC 是對整個堆內(nèi)存（包括新生代和老年代）進(jìn)行的垃圾回收，通常由堆內(nèi)存不足、方法區(qū)滿等原因觸發(fā)。

第六部分：字節(jié)碼與執(zhí)行引擎

6.1 字節(jié)碼簡介

字節(jié)碼（Bytecode） 是一種面向虛擬機(jī)的中間語言，是 JVM 執(zhí)行 Java 程序的基礎(chǔ)。Java 源代碼經(jīng)過編譯后生成 .class 文件，其中包含了 JVM 可以理解的字節(jié)碼指令。

字節(jié)碼的特點：

• 與硬件無關(guān)，跨平臺性強(qiáng)。Java 編譯器生成的字節(jié)碼可以在任何 JVM 上運行。
• 每個字節(jié)碼指令對應(yīng)特定的操作，如加載、存儲、運算、控制跳轉(zhuǎn)等。

查看字節(jié)碼：

• 可以使用 JDK 自帶的 javap 工具查看 .class 文件中的字節(jié)碼。例如，javap -c MyClass 可以打印出 MyClass 的字節(jié)碼指令。

6.2 解釋器與即時編譯器（JIT）

JVM 執(zhí)行字節(jié)碼的方式有兩種：解釋執(zhí)行和即時編譯（JIT）。

1. 解釋器：
   • JVM 通過解釋器逐條解釋執(zhí)行字節(jié)碼。

每次遇到字節(jié)碼指令時，解釋器將其轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼并執(zhí)行。

• 優(yōu)點：啟動速度快，因為無需等待字節(jié)碼的編譯。
• 缺點：解釋執(zhí)行的效率較低，尤其在執(zhí)行頻繁的代碼段時，性能會受到影響。

2. 即時編譯器（JIT）：
   • JIT 編譯器在運行時將熱點代碼（執(zhí)行頻率高的代碼）編譯為機(jī)器碼，直接在 CPU 上執(zhí)行。
   • 優(yōu)點：通過將熱點代碼編譯為機(jī)器碼，JIT 提升了程序的執(zhí)行效率。
   • 缺點：JIT 編譯需要額外的時間和資源，可能在程序啟動階段增加延遲。

JVM 的 JIT 編譯器通常分為兩個階段：

• C1 編譯器：進(jìn)行簡單優(yōu)化，生成較快的機(jī)器碼，適合應(yīng)用啟動階段使用。
• C2 編譯器：進(jìn)行復(fù)雜優(yōu)化，生成更高效的機(jī)器碼，適合長時間運行的熱點代碼。

6.3 逃逸分析與鎖消除

1. 逃逸分析：

   • 逃逸分析是 JIT 編譯器的優(yōu)化技術(shù)，用于判斷對象的作用范圍。如果對象只在方法內(nèi)部使用而不會逃逸到方法外部，則可以將其分配在棧上而不是堆上，從而減少堆內(nèi)存分配和垃圾回收的壓力。

2. 鎖消除：

   • 鎖消除是基于逃逸分析的一種優(yōu)化技術(shù)。如果編譯器通過逃逸分析發(fā)現(xiàn)加鎖的對象不會被其他線程訪問，那么就可以消除該鎖，從而避免不必要的同步操作，提升性能。

第七部分：JVM 常見面試問題總結(jié)

7.1 JVM 高頻面試問題

在 Java 面試中，JVM 是一個非常常見的考察點。以下是一些常見的 JVM 面試問題，涵蓋 JVM 的內(nèi)存模型、垃圾回收機(jī)制、類加載器等多個方面。這些問題不僅要求面試者對 JVM 的工作原理有深刻的理解，還需要有實際調(diào)優(yōu)和問題排查的經(jīng)驗。

1. JVM 的內(nèi)存結(jié)構(gòu)是什么樣的？

• 回答思路：
  • JVM 內(nèi)存劃分為方法區(qū)（Java 8 后稱為元空間）、堆、虛擬機(jī)棧、程序計數(shù)器、本地方法棧五個區(qū)域。
  • 堆內(nèi)存用于存儲對象實例，分為新生代和老年代。虛擬機(jī)棧保存每個線程的局部變量、操作數(shù)棧等。
  • 方法區(qū)存儲類信息、常量、靜態(tài)變量、即時編譯代碼。程序計數(shù)器記錄當(dāng)前線程的執(zhí)行位置。

2. JVM 中堆和棧的區(qū)別是什么？

• 回答思路：
  • 堆用于存儲所有對象實例和數(shù)組，屬于線程共享區(qū)域，垃圾回收器會在堆中回收不再使用的對象。
  • 棧用于存儲線程的局部變量、方法調(diào)用鏈信息，每個線程都有自己的棧。棧內(nèi)存較小，生命周期與線程一致。

3. 你對垃圾回收機(jī)制了解多少？可以介紹一下不同的垃圾回收器嗎？

• 回答思路：
  • 垃圾回收器通過追蹤和清除不可達(dá)對象來釋放內(nèi)存，常用的垃圾回收算法包括標(biāo)記-清除、復(fù)制、標(biāo)記-整理等。
  • 常見的垃圾回收器有 Serial、Parallel、CMS 和 G1。Serial 單線程執(zhí)行垃圾回收，Parallel 使用多線程執(zhí)行，CMS 適用于低停頓的應(yīng)用，G1 適用于大堆內(nèi)存的服務(wù)端應(yīng)用。

4. Full GC 發(fā)生的原因是什么？如何優(yōu)化避免 Full GC？

• 回答思路：
  • Full GC 是對整個堆內(nèi)存（包括新生代和老年代）進(jìn)行的垃圾回收操作，通常由老年代內(nèi)存不足、方法區(qū)溢出等原因觸發(fā)。
  • 優(yōu)化方法包括：增大堆內(nèi)存大小，減少對象的頻繁創(chuàng)建和過長生命周期，調(diào)整垃圾回收器設(shè)置如 G1 或 CMS，合理設(shè)置元空間大小。

5. 雙親委派模型的作用是什么？有遇到過需要打破雙親委派模型的情況嗎？

• 回答思路：
  • 雙親委派模型規(guī)定類加載請求會優(yōu)先委派給父類加載器，以保證核心類庫不會被重復(fù)加載或篡改。
  • 常見的打破雙親委派模型的場景有 SPI 機(jī)制，它需要使用線程上下文類加載器加載自定義的服務(wù)實現(xiàn)。

6. 類加載過程有哪些步驟？

• 回答思路：
  • 類加載分為加載、驗證、準(zhǔn)備、解析、初始化五個步驟。
  • 加載階段通過類加載器將字節(jié)碼加載到內(nèi)存；驗證階段確保類的合法性；準(zhǔn)備階段為類的靜態(tài)變量分配內(nèi)存；解析階段將符號引用替換為直接引用；初始化階段執(zhí)行靜態(tài)代碼塊和靜態(tài)變量賦值。

7. 如何排查 OutOfMemoryError？

• 回答思路：
  • OutOfMemoryError 可能發(fā)生在堆、方法區(qū)或虛擬機(jī)棧中。常見原因有對象過多、類加載過多或棧深度過大。
  • 使用 jmap 生成堆快照，通過 MAT 分析內(nèi)存泄漏問題；通過 -XX:MaxMetaspaceSize 控制元空間大小；通過 -Xss 調(diào)整棧大小。

8. 什么是逃逸分析？它有什么用？

• 回答思路：
  • 逃逸分析是 JIT 編譯器的優(yōu)化技術(shù)，用于判斷對象是否逃逸出當(dāng)前方法。如果對象未逃逸，JVM 可以將其分配在棧上，避免在堆中分配對象。
  • 優(yōu)點是減少堆內(nèi)存分配和垃圾回收開銷，并且提高對象的訪問速度。

9. 什么是內(nèi)存屏障？在 JVM 中它有什么作用？

• 回答思路：
  • 內(nèi)存屏障是一種指令，用于禁止 CPU 的指令重排序。它確保在多線程環(huán)境下，某些操作（如讀寫共享變量）具有可見性和有序性。
  • 在 JVM 中，volatile 關(guān)鍵字可以通過內(nèi)存屏障確保變量的可見性和有序性。

10. 什么是類卸載？它發(fā)生在什么情況下？

• 回答思路：
  • 類卸載是指 JVM 從內(nèi)存中移除不再使用的類，通常在不再需要加載的類被垃圾回收器回收時發(fā)生。
  • 類卸載主要發(fā)生在自定義類加載器加載的類上，當(dāng)類加載器和其加載的類都沒有被引用時，類可以被卸載。

11. Java 8 中永久代的變化？為什么 Java 8 使用元空間代替了永久代？

• 回答思路：
  • 在 Java 8 中，永久代被移除，取而代之的是元空間。永久代用于存儲類的元數(shù)據(jù)和靜態(tài)變量等，但容易導(dǎo)致內(nèi)存溢出。
  • 元空間不使用堆內(nèi)存，而是直接使用本地內(nèi)存，從而可以動態(tài)調(diào)整大小，避免永久代內(nèi)存溢出的情況。

12. 什么是 JVM 調(diào)優(yōu)？你有實際 JVM 調(diào)優(yōu)的經(jīng)驗嗎？

• 回答思路：
  • JVM 調(diào)優(yōu)是通過調(diào)整 JVM 參數(shù)和配置來優(yōu)化 Java 應(yīng)用的性能。常見調(diào)優(yōu)包括堆內(nèi)存大小的調(diào)整、垃圾回收器的選擇、Full GC 頻率的控制、線程調(diào)度優(yōu)化等。
  • 實際調(diào)優(yōu)經(jīng)驗可以包括通過 GC 日志分析性能問題、使用工具（如 jmap、jstack、VisualVM）來排查內(nèi)存和線程問題，以及如何根據(jù)業(yè)務(wù)需求配置合適的 JVM 參數(shù)。

7.2 綜合性 JVM 問題場景分析

1. 場景一：大型電商系統(tǒng)的 JVM 調(diào)優(yōu)實踐

   • 問題：系統(tǒng)在高并發(fā)情況下頻繁發(fā)生 Full GC，導(dǎo)致響應(yīng)時間延遲。
   • 分析：通過查看 GC 日志，發(fā)現(xiàn)堆內(nèi)存不足導(dǎo)致頻繁的 Full GC。通過增加堆大小（-Xms 和 -Xmx），并使用 G1 垃圾回收器替代 CMS，減少了 Full GC 的次數(shù)。此外，減少了長生命周期對象的使用，降低了老年代的占用。

2. 場景二：內(nèi)存泄漏問題排查

   • 問題：某線上服務(wù)隨著運行時間增長，內(nèi)存不斷增加，最終拋出 OutOfMemoryError。
   • 分析：使用 jmap 生成堆快照，通過 MAT 工具分析堆內(nèi)存，發(fā)現(xiàn)某個靜態(tài)集合類沒有清理不再使用的對象，導(dǎo)致了內(nèi)存泄漏。解決方案是在代碼中定期清理該集合，釋放不再需要的對象。

3. 場景三：多線程應(yīng)用的 JVM 棧溢出

   • 問題：在處理復(fù)雜業(yè)務(wù)邏輯時，系統(tǒng)拋出 StackOverflowError。
   • 分析：由于業(yè)務(wù)邏輯存在深度遞歸調(diào)用，導(dǎo)致棧深度超出默認(rèn)值。通過調(diào)整 JVM 棧大小參數(shù)（-Xss），增加每個線程的?？臻g，解決了棧溢出問題。

7.3 常見陷阱與誤區(qū)

1. 誤區(qū)一：JVM 參數(shù)設(shè)置越大越好

   • 解釋：并不是堆內(nèi)存、棧內(nèi)存設(shè)置得越大越好。過大的堆會導(dǎo)致垃圾回收耗時較長，棧內(nèi)存設(shè)置過大則可能浪費系統(tǒng)資源，甚至引發(fā)系統(tǒng)崩潰。應(yīng)根據(jù)應(yīng)用實際需求來設(shè)置合理的 JVM 參數(shù)。

2. 誤區(qū)二：Full GC 觸發(fā)時 JVM 會立即回收所有對象

   • 解釋：Full GC 是回收整個堆內(nèi)存，但并不能保證所有對象都被立即回收。如果對象之間存在復(fù)雜的引用鏈，或者引用關(guān)系沒有正確處理，可能導(dǎo)致對象仍然存活。

3. 誤區(qū)三：永久代溢出等同于堆內(nèi)存溢出

   • 解釋：永久代溢出和堆內(nèi)存溢出是兩

種不同的錯誤。永久代溢出與類的元數(shù)據(jù)、靜態(tài)變量等有關(guān)，堆內(nèi)存溢出則是由于對象實例數(shù)量過多導(dǎo)致堆空間不足。在 Java 8 之后，永久代已被元空間替代。