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JVM

一、JVM 基础

1. 什么是 JVM 呢？⭐⭐⭐

JVM 就是 java 虚拟机，它是 Java 实现跨平台的基石。程序在运行前，需要被 java 编译器编译为字节码文件，之后 JVM 会逐行解释这些字节码文件并执行，同时 JVM 并提供内存管理、垃圾回收等。

2.执行 Hello World 到底干了什么？⭐️⭐️

Hello World.java 源代码先被编译为字节码，JVM 启动后通过类加载器加载类，经过验证、准备、解析和初始化后，由执行引擎执行字节码；对于执行频繁的热点代码，JIT 编译器会将其编译为机器码并缓存以提高执行效率。

3. JVM 由哪些部分组成？⭐⭐⭐

JVM 主要由类加载器、运行时数据区和执行引擎组成：

  • 类加载器：负责加载字节码。
  • 运行时数据区：负责存储程序运行时的数据。
  • 执行引擎：负责执行字节码，包括解释器和 JIT 编译器。

二、内存管理

1. 能说一下 JVM 的内存区域吗？⭐️⭐⭐

JVM 运行时数据区包括程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈、堆和方法区。

  • 程序计数器：记录当前线程下一条要执行的字节码指令。
  • 虚拟机栈：线程私有，每次方法调用都会创建一个栈帧，保存局部变量、操作数栈和方法返回信息。
  • 本地方法栈：为 Native 方法提供运行空间。
  • 堆：线程共享，主要存放对象和数组，是垃圾回收器管理的主要区域。
  • 方法区：线程共享，存放类信息、运行时常量池、静态变量等数据。JDK 8 以后通常由元空间实现。

2. 堆和栈有什么区别？

堆是线程共享的，主要存放对象，由 GC 管理；栈是线程私有的，主要存放方法调用产生的栈帧，方法执行结束后栈帧会自动释放。

3. JDK 8 为什么用元空间替代永久代？

永久代位于 JVM 内存中，容易因为类信息过多而发生内存溢出；元空间使用本地内存存储类元数据，不再占用 JVM 内存。

字符串常量池和静态变量在 JDK 7 以后位于堆中，并没有放入元空间。

4. 常量池 ⭐⭐⭐

java 文件被编译为 class 文件，class 文件除了包含类的版本，字段，方法，接口的等描述信息外，还有一项就是 Constant Pool，用于存放编译器生成的各类字面量和符号引用。

  • 字面量就是我们所说的常量，如字符串，被声明为 final 的变量，基本数据类型的值。
  • 编译阶段无法确定对象在内存中的真实地址，因此使用符号来描述引用目标

5. 运行时常量池

当类加载到内存中，JVM 就会将当前类的 class 常量池中的内容存放到运行时常量池，只不过，在运行时常量池里，符号引用会被替换为直接引用。（分为静态和动态解析）

6. 字符串常量池⭐️⭐️

为了提升性能和减少内存消耗。因为字符串在 Java 中使用频率极高，JVM 专门开辟了一块区域来缓存字符串。

  • Java 6 及之前：位于 PermGen（永久代）中。
  • Java 7/8 及之后：移动到了 Java Heap（堆） 中。这样做是为了防止永久代内存不足，同时也更方便垃圾回收（GC）。

在 JDK 1.7 及之后，字符串常量池存的是“字符串对象的引用”和“字符串的内容”。本质上是一个 HashTable，K 是字符串内容得到的Hash值，Value 则是当前字符串的引用。

当我们声明了一个字符串变量：

String a = "abc"

此时，不会直接去堆区创建一个内容为 "abc" 的对象，而是先去字符串常量池里面找有问有内容为 ”abc" 的对象，如果有，则直接返回，没有，才去堆区创建一个 “abc" 对象，然后把这个对象的引用放到字符串常量池里面。 注意，如果是通过 new 关键字声明字符串，则一定会在堆区创建一个对象

String a = new ("abc")

三、类加载

1. JVM 类加载过程⭐️⭐️⭐️

类加载的全过程可以概括为：加载 \(\rightarrow\) 链接（验证、准备、解析） \(\rightarrow\) 初始化。

1、加载就是根据类的全限定名（比如 com.test.User）找到对应的 .class 文件，以二进制流读入到内存中。

2、链接又可以分为三个阶段，分别为：

  • 验证：安检。检查加载的字节码是否符合 JVM 规范。
  • 准备：为类变量（static 修饰的变量）分配内存并设置初始值。
  • 解析：把常量池内的将符号引用转换为直接引用。

3、初始化：执行类构造器 <clinit>() 方法。这个方法是编译器自动收集所有 类变量（static）的赋值动作 和 静态代码块（static {}） 中的语句合并而成的。

2. 什么是类加载器，类加载器有哪些？⭐️⭐️⭐

类加载器负责根据类的全限定名加载对应的字节码。常见类加载器包括启动类加载器、平台类加载器、应用类加载器和自定义类加载器。

  • 启动类加载器 (Bootstrap ClassLoader)：负责加载 Java 的核心库。JAVA_HOME/lib 目录下的 jar 包（如 rt.jar、resources.jar）。这就是为什么你不用导入就能直接使用 java.lang.Object 或 String。
  • 扩展类加载器 (Extension ClassLoader)：由 Java 编写，派生自 java.lang.ClassLoader。负责加载 Java 的扩展库。
  • 应用程序类加载器 (Application ClassLoader) | 系统类加载器：负责加载用户类路径 (ClassPath) 上的所有类库。可以通过 ClassLoader.getSystemClassLoader()来获取它
  • 自定义类加载器 (Custom ClassLoader)：由开发者自己定义。通过继承 java.lang.ClassLoader类的方式实现

3. 双亲委派模型 (Parent Delegation Model)⭐⭐

当类加载器收到加载请求时，会优先将请求交给父类加载器处理，父类加载器无法加载时，子类加载器才尝试加载。

双亲委派的主要作用是避免类重复加载，并防止用户自定义的同名类替换 Java 核心类。

4. 如何破坏双亲委派模型

通过自定义类加载器并重写类加载逻辑，可以改变默认的双亲委派顺序。Tomcat 为实现不同 Web 应用之间的类库隔离，就使用了自定义类加载器。

5. 什么时候会使用到加载器？

根据 Java 虚拟机规范，只有在对类进行主动引用时，才会触发类加载（包括加载、链接、初始化）。

  • 使用 new 关键字实例化对象时，第一步就是检查当前类有没有加载完成，没有则进行类加载过程。
  • 访问类或接口的静态成员时，会触发类加载。
  • 使用反射调用类时，当你执行 Class.forName("com.test.User") 或 ClassLoader.loadClass(...) 时，会显式触发加载。
  • Java 规定：初始化一个类时，如果其父类还没初始化，必须先触发父类的初始化。
  • JVM 启动时，必须先加载并初始化包含 main() 方法的那个主类。

四、对象与垃圾回收

1. 对象创建过程⭐️⭐️⭐️

  1. 类加载检查：先查当前类是否完成了加载，如果没有完成加载，会先将当前类加载到内存中。
  2. 分配内存空间：给当前对象分配内存空间，根据当前 JVM 的情况有不同的分配算法：如果内存整齐就用“指针碰撞”，如果不整齐就用“空闲列表”。
  3. 对象属性初始化：会给当前对象的属性赋为默认值，例如：int 的默认值为0，boolean 的默认值为 false
  4. 设置对象头：里面包含了对象是哪个类的实例、对象的哈希码、对象的 GC 分代年龄等信息。
  5. 执行init方法：JVM 会执行构造方法 <init> 完成赋值操作，将成员变量赋值为预期的值，比如 int age = 18，这样一个对象就创建完成了。

2. 如何判断一个对象是否可以被回收？⭐⭐⭐

Java 使用可达性分析判断对象是否存活：从 GC Roots 出发，如果对象无法通过引用链到达，就会被认为是不可达对象，之后可能被垃圾回收。

常见 GC Roots 包括虚拟机栈中的引用、静态变量引用、常量引用和 JNI 引用等。

3. 堆内存的分配方式⭐️⭐️

在堆中为对象分配内存时，主要使用两种策略：指针碰撞和空闲列表。指针碰撞适用碎片化较少的内存区域，而空闲列表适用于内存碎片化较严重的区域。

4. 堆内存的分区 ⭐⭐⭐

为了更高效地管理内存（主要是为了方便垃圾回收），JVM 把堆分成了两大块：

  • 年轻代 (Young Generation)：存放新创建的对象。
  • 老年代 (Old Generation)：存放熬过多轮 GC、大命不死的长寿对象。

而年轻代内部，又被细分为三个小区：

  • Eden 区：名字取自“伊甸园”，意味着生命的起点。几乎所有新 new 出来的对象都产生在这里。
  • Survivor From 区（也叫 S0）：幸存者区。
  • Survivor To 区（也叫 S1）：幸存者区。

Eden : S0 : S1 = 8 : 1 : 1 也就是说，年轻代中 80% 的地方是用来让对象“出生”的，剩下的 20% 分成两半，轮流当“临时避难所”。

5. 对象的内存布局 ⭐

对象的内存布局是由 Java 虚拟机规范定义的，但具体的实现细节各有不同，如 HotSpot 和 OpenJ9 就不一样。在 HotSpot 中，对象在内存中包括三部分：对象头、实例数据和对齐填充。

1、对象头由两到三部分组成：

  • Mark Word (标记字段)：存储对象自身的运行时数据。
  • 类型指针：对象指向它在方法区中 Class 对象 的指针。通过它，JVM 才知道这个对象是哪个类的实例。
  • 数组长度：如果是数组对象，还需要这个字段

2、实例数据：实例数据是对象实际的字段值，也就是成员变量的值（包括从父类继承下来的），按照字段在类中声明的顺序存储。

3、这部分没有任何实际含义，它仅仅起到占位符的作用。HotSpot 虚拟机的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是 8 字节的整数倍。如果对象头 + 实例数据加起来刚好是 14 字节，那么对齐填充就会补上 2 字节，凑成 16 字节。

6. 常见的垃圾回收算法有哪些？⭐

  • 标记-清除：标记存活对象后清除不可达对象，容易产生内存碎片。
  • 标记-复制：将存活对象复制到另一块区域，适合存活对象较少的场景。
  • 标记-整理：将存活对象移动到一端，再清理剩余空间，可以减少碎片。
  • 分代收集：根据对象生命周期划分年轻代和老年代，分别采用适合的回收策略。

7. 什么是 Minor GC 和 Full GC？⭐

  • Minor GC：主要回收年轻代，通常发生在 Eden 区空间不足时。
  • Full GC：回收整个堆和方法区，通常会造成更长时间的停顿，应尽量减少发生。

五、常见 JVM 错误

1. 什么情况下会产生 StackOverFlowError

在 Java 中，StackOverflowError 发生在虚拟机栈（JVM Stack） 空间耗尽时。每个线程都有自己独立的栈，用来存储栈帧（Stack Frame），每调用一个方法就会压入一个栈帧，方法执行完后再弹出。

  1. 无限递归（最常见原因）
  2. 递归调用层级过深
  3. 方法间循环调用
  4. 局部变量占用空间过大
  5. 栈内存设置过小 -Xss 设置的栈内存容量过小（例如只设置了 64KB），

2. 什么情况下会导致 OutOfMemory

在 Java 中，OutOfMemoryError (OOM) 表示 JVM 已经没有足够的内存空间来分配给新对象，且垃圾回收器（GC）也无法通过回收腾出更多空间。

与栈溢出不同，OOM 通常发生在 堆（Heap） 或 方法区（元空间）。

  • 堆中对象过多或存在内存泄漏。
  • 加载的类过多导致元空间溢出。
  • 创建线程过多。
  • 直接内存不足。

3. 如何排查 JVM 内存溢出？⭐

先根据异常信息判断是堆、元空间、线程还是直接内存问题，再通过 Heap Dump、MAT、VisualVM 等工具分析对象数量和引用关系，重点检查静态集合、缓存、监听器以及 ThreadLocal 是否长期持有对象。