八股文——JVM

 1. JVM组成

1.1 JVM由哪些部分组成？运行流程？

• Java Virtual Machine：Java 虚拟机，Java程序的运行环境（java二进制字节码的运行环境）
• 好处：一次编写，到处运行；自动内存管理，垃圾回收机制
• 程序运行之前，需要先通过编译器将 Java 源代码文件编译成 Java 字节码文件；
• 程序运行时，JVM 会对字节码文件进行逐行解释，翻译成机器码指令，并交给对应的操作系统去执行。

 

 

• 好处：一次编写，到处运行；自动内存管理，垃圾回收机制

• JVM  <---> 操作系统（windows、linux）<---> 计算机硬件（cpu、内存条）
  java跨平台是因JVM屏蔽了操作系统的差异，真正运行代码的不是操作系统

 

 

• JVM 主要由四个部分组成： 运行流程：
• Java 编译器（javac）将 Java 代码转换为字节码（.class 文件）
• 1. 类加载器（ClassLoader）
• 负责加载 .class 文件，将 Java 字节码加载到内存中，并交给 JVM 执行
• 2. 运行时数据区（Runtime Data Area）
• 管理JVM使用的内存。主要包括：
• 方法区（Method Area）：存储类的元数据、常量、静态变量等。
• 堆（Heap）：存储所有对象和数组，垃圾回收器主要回收堆中的对象。
• 栈（Stack）：每个线程都有一个栈，用于存储局部变量、方法调用等信息。
• 程序计数器（PC Register）：每个线程有一个程序计数器，指示当前线程正在执行的字节码指令地址。
• 本地方法栈（Native Method Stack）：支持本地方法的调用（通过 JNI）。
• 其中方法区和堆是线程共享的，虚拟机栈、本地方法栈和程序计数器是线程私有的。
• 3. 执行引擎（Execution Engine）
• 负责执行字节码，包含：
• 解释器：逐条解释执行字节码。
• JIT 编译器：将热点代码编译为机器码，提高执行效率。
• 垃圾回收器：回收堆中的不再使用的对象，释放内存。
• 4. 本地库接口（Native Method Library）
• 允许 Java 程序通过 java本地接口JNI（Java Native Interface）调用本地方法（如 C/C++ 编写的代码），与底层系统或硬件交互。

 1.2 什么是程序计数器

• 程序计数器：线程私有的，每个线程一份，内部保存字节码的行号。用于记录正在执行的字节码指令的地址。
• 每个线程都有自己的程序计数器，确保线程切换时能够继续执行未完成的任务。

1.3 你能给我详细的介绍java堆吗？

• Java堆是 JVM 中用于存储所有对象和数组的内存区域。线程共享的区域。当堆中没有内存空间可分配给实例，也无法再扩展时，则抛出OutOfMemoryError异常。
• 它被分为：
• 年轻代（存储新创建的对象），被划分为三部分：
• Eden区：大多数新对象的分配区域；
• S0 和 S1（两个大小严格相同的Survivor区）：Eden 空间经过 GC 后存活下来的对象会被移到其中一个 Survivor 区域；
• 老年代：在经过几次垃圾收集后，任然存活于Survivor的对象将被移动到老年代区间。
• 永久代：JDK 7 及之前，JVM 的方法区（也称永久代），保存的类信息、静态变量、常量、编译后的代码；
• 元空间：JDK 8 及之后，永久代被 Metaspace（元空间）取代，移除了永久代，把数据存储到了本地内存的元空间中，且其大小不再受 JVM 堆的限制，防止内存溢出。

1.4 什么是虚拟机栈

Java Virtual machine Stacks (java 虚拟机栈)

• 每个线程在 JVM 中私有的一块内存区域，称为虚拟机栈，先进后出，用于存储方法的局部变量和方法调用信息；
• 每个栈由多个栈帧（frame）组成，当线程执行方法时，为该方法分配一个栈帧（Stack Frame）；
• 每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的那个方法；

垃圾回收是否涉及栈内存？

• 垃圾回收主要指就是堆内存，
• 栈内存中不会有垃圾回收的概念，因为栈内存是由 JVM 自动管理的，方法执行完成时，栈帧弹栈，内存就会释放；

栈内存分配越大越好吗？

• 未必，默认的栈内存通常为1024k；
• 栈内存过大会导致线程数变少，例如，机器总内存为512m，目前能活动的线程数则为512个，如果把栈内存改为2048k，那么能活动的线程数减半；

方法内的局部变量是否线程安全？

• 方法内的局部变量 本身是线程安全的，因为它们存储在每个线程独立的栈中，不会被其他线程共享。
• 但如果局部变量是引用类型，并且该引用指向的对象逃离了方法作用范围（例如被返回或传递到外部），则需要考虑该对象的线程安全性。
• 如果对象是可变的，并且被多个线程访问，可能会引发线程安全问题。

栈内存溢出情况（StackOverflowError）

• 栈帧过多导致栈内存溢出；
  典型问题：递归调用会在栈中创建新的栈帧，如果递归深度过大，可能会导致栈空间耗尽，从而抛出
  

• 栈帧过大导致栈内存溢出

堆栈的区别是什么？

• 栈内存用来存储局部变量和方法调用，但堆内存是用来存储Java对象和数组的。
• 堆会GC垃圾回收，而栈不会；
• 栈内存是线程私有的，而堆内存是线程共有的；
• 两者异常错误不同，但如果栈内存或者堆内存不足都会抛出异常
• 栈空间不足：java.lang.StackOverFlowError
• 堆空间不足：java.lang.OutOfMemoryError

1.5 说一下JVM运行时数据区

JVM 运行时数据区包括方法区、堆、栈、程序计数器和本地方法栈。

• 方法区存储类的元数据、常量池、静态变量和 JIT 编译后的代码。
• 类的结构信息：每个类的信息，如类名、父类名、接口、方法、字段的名称和描述等。常量池：存储常量值，如字符串常量、类常量等。静态变量：属于类的变量，而不是某个实例的变量。JIT编译后的代码是指 Jvm在运行时将热点代码从字节码编译为本地机器代码。方法区在 JDK 7 之前被称为 "永久代"，从 JDK 8 开始，永久代被移除，改为使用元空间
• 堆是 JVM 中最大的内存区域，负责存储所有的对象实例和数组，并进行垃圾回收。
• 栈存储每个线程的局部变量、方法调用信息和返回地址等。
• 堆和栈是线程共享和线程私有的区域。
• 程序计数器是每个线程私有的，用于存储当前线程正在执行的字节码指令的地址。
• 本地方法栈支持 JNI 本地方法调用，线程私有。
• 专门为本地方法调用而设计。它用于执行本地代码时所需的栈空间。

1.6  能不能介绍一下方法区

• 方法区 是 JVM 运行时数据区的一部分，主要用于存储类的信息、常量、静态变量以及 JIT 编译后的代码。
• 在 JDK 7 之前，这部分内存称为永久代（PermGen），而在 JDK 8 以后，永久代被移除，取而代之的是元空间（Metaspace），它位于本地内存中，不再受堆内存限制。
• 虚拟机启动的时候创建，关闭虚拟机时释放。
• 方法区的内存由 JVM 管理，并在类卸载时进行垃圾回收。
• 如果方法区域中的内存无法满足分配请求，则会抛出OutOfMemoryError: Metaspac

1.7 介绍一下运行时常量池？

常量池

• 可以看作是一张表，虚拟机指令根据这张常量表找到要执行的类名、方法名、参数类型、字面量等信息

运行时常量池

• 常量池是 .class 文件中的，当该类被加载，它的常量池信息就会放入运行时常量池，并把里面的符号地址变为真实地址

1.8 你听过直接内存吗？

• 它不受 JVM 内存回收管理，是虚拟机的系统内存；
• 常见于在 NIO 中使用直接内存，不需要在堆中开辟空间进行数据的拷贝，jvm可以直接操作直接内存，从而使数据读写传输更快。但分配回收成本较高。
• 使用传统的IO的时间要比NIO操作的时间长了很多，也就说NIO的读性能更好。
• 这个是跟我们的JVM的直接内存是有一定关系，如下图，传统阻塞IO的数据传输流程和NIO传输数据的流程。

2. 类加载器

2.1 什么是类加载器，类加载器有哪些？

• JVM只会运行二进制文件，而类加载器（ClassLoader）的主要作用就是将.class字节码文件加载到JVM内存，生成对应的Class对象，供程序使用。

• 启动类加载器(BootStrap ClassLoader)：
• 该类并不继承ClassLoader类，其是由C++编写实现。用于加载JAVA_HOME/jre/lib目录下的类库。
• 扩展类加载器(ExtClassLoader)：
• 该类是ClassLoader的子类，主要加载JAVA_HOME/jre/lib/ext目录中的类库。
• 应用类加载器(AppClassLoader)：
• 该类是ClassLoader的子类，主要用于加载classPath下的类，也就是加载开发者自己编写的Java类。
• 自定义类加载器：
• 开发者自定义类继承ClassLoader，实现自定义类加载规则。

类加载器的体系并不是“继承”体系，而是委派体系，类加载器首先会到自己的parent中查找类或者资源，如果找不到才会到自己本地查找。类加载器的委托行为动机是为了避免相同的类被加载多次

2.2 什么是双亲委派模型？

• 双亲委派模型要求类加载器在加载某一个类时，先委托父加载器尝试加载。
• 如果父加载器可以完成类加载任务，就返回成功；
• 只有父加载器无法加载时，子加载器才会加载。

2.3 JVM为什么采用双亲委派机制？

• 避免类的重复加载：父加载器加载的类，子加载器无需重复加载。

• 保证核心类库的安全性：为了安全，保证类库API不会被修改。如 java.lang包下的类只能由 启动类加载器Bootstrap ClassLoader 加载，防止被篡改。

2.4 说一下类的生命周期

• 一个类从被加载到虚拟机内存中开始，到从内存中卸载，它的整个生命周期包括了：
  加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载这7个阶段。
• 其中，验证、准备和解析这三个部分统称为连接（linking）。

2.5 说一下类装载的执行过程？

类装载过程包括三个阶段：载入、连接和初始化，连接细分为 验证、准备、解析，这是标准的 JVM 类装载流程。

1. 加载（Loading）：通过类加载器找到 .class 文件读取到内存，生成 Class 对象。
2. 连接（Linking）：

验证：检查字节码是否合法，防止恶意代码破坏 JVM；
准备：为类的静态变量分配内存并设置默认初始值，但不执行赋值逻辑；
解析：将常量池中的 符号引用（如类名、方法名）转为 直接引用（内存地址）。

1. 初始化（Initialization）：执行类的静态代码块和静态变量赋值。

在准备阶段，静态变量已经被赋过默认初始值了，在初始化阶段，静态变量将被赋值为代码期望赋的值。比如说 static int a = 1;，在准备阶段，a 的值为 0，在初始化阶段，a 的值为 1

类装载完成后的阶段：加载完成后，类进入‘使用阶段’。当 Class 对象不再被引用时，可能触发‘卸载’。

• 使用：JVM 通过 Class 对象创建实例、调用方法，进入正常运行阶段。
• 卸载：当 Class 对象不再被引用时，由 GC 回收，但 JVM 核心类（如 java.lang.*）不会被卸载。

3. 垃圾回收

3.1 简述java垃圾回收机制？（GC是什么？为什么要GC）

• GC（Garbage Collection，垃圾回收）是 Java 中自动管理内存的机制，负责回收不再使用的对象，以释放内存空间。
• 垃圾回收是 Java 程序员不需要显式管理内存的一大优势，它由 JVM 自动进行。

GC 的主要目的是：
自动管理内存：程序运行过程中会创建大量的对象，但一些对象在使用完后不再被引用。手动管理这些对象的内存释放非常繁琐且容易出错；
防止内存泄漏：如果不及时释放无用对象的内存，系统的可用内存会越来越少，最终可能导致 OutOfMemoryError；
避免内存溢出：GC 机制能够保证内存不会因为长期积累未回收的对象而耗尽。

3.2 对象什么时候可以被垃圾器回收？

• 如果一个或多个对象没有任何的引用指向它了，那么这个对象现在就是垃圾，如果定位了垃圾，则有可能会被垃圾回收器回收。

如果要定位什么是垃圾，有两种方式来确定，
1. 引用计数法：通过计数引用的数量，当引用为 0 时回收。但不能处理循环引用
这种方法通过给每个对象维护一个引用计数器。当有一个新的引用指向该对象时，引用计数加 1；当引用离开时，计数减 1。
2. 可达性分析算法：通过检查对象是否从根对象可达，无法访问的对象可以回收。是 Java 使用的主要方法。
根对象是那些肯定不能当做垃圾回收的对象，就可以当做根对象
根对象包含：虚拟机栈中的局部变量；静态变量；活动线程的引用；JNI 引用的对象。