Java面試必備——JVM篇

1. Java的內存模型以及GC算法

1、Java內存模型

Java 虛擬機具備一個堆，堆是運行時數據區域，全部類實例和數組的內存均今後處分配

JVM主要管理兩種類型內存：堆和非堆，堆內存（Heap Memory）是在 Java 虛擬機啓動時建立，非堆內存(Non-heap Memory)是在JVM堆以外的內存

簡單來講，堆是Java代碼可及的內存，留給開發人員使用的；非堆是JVM留給本身用的，包含方法區、JVM內部處理或優化所需的內存（如 JITCompiler，Just-in-time Compiler，即時編譯後的代碼緩存）、每一個類結構（如運行時常數池、字段和方法數據）以及方法和構造方法的代碼

JVM 內存包含以下幾個部分：

堆內存（Heap Memory）： 存放Java對象

非堆內存（Non-Heap Memory）： 存放類加載信息和其它meta-data

其它（Other）： 存放JVM 自身代碼等

Method Area 和 Heap 是線程共享的

JVM初始運行的時候都會分配好 Method Area（方法區） 和Heap（堆）,而JVM 每遇到一個線程，就爲其分配一個 Program Counter Register（程序計數器） , VM Stack（虛擬機棧）和Native Method Stack （本地方法棧）， 當線程終止時，三者（虛擬機棧，本地方法棧和程序計數器）所佔用的內存空間也會被釋放掉。

2、Java內存分配

Java的內存管理實際上就是變量和對象的管理，其中包括對象的分配和釋放。

JVM內存申請過程以下：

JVM 會試圖爲相關Java對象在Eden中初始化一塊內存區域

當Eden空間足夠時，內存申請結束；不然到下一步

JVM 試圖釋放在Eden中全部不活躍的對象（這屬於1或更高級的垃圾回收）,釋放後若Eden空間仍然不足以放入新對象，則試圖將部分Eden中活躍對象放入Survivor區

Survivor區被用來做爲Eden及OLD的中間交換區域，當OLD區空間足夠時，Survivor區的對象會被移到Old區，不然會被保留在Survivor區

當OLD區空間不夠時，JVM 會在OLD區進行徹底的垃圾收集（0級）

徹底垃圾收集後，若Survivor及OLD區仍然沒法存放從Eden複製過來的部分對象，致使JVM沒法在Eden區爲新對象建立內存區域，則出現」out of memory」錯誤

4、GC分代劃分

爲了進行高效的垃圾回收，虛擬機把堆內存劃分紅新生代（Young Generation）、老年代（Old Generation）和永久代（Permanent Generation）3個區域。

1） 在Young Generation中，有一個叫Eden Space的空間，主要是用來存放新生的對象，還有兩個Survivor Spaces（from、to），它們的大小老是同樣，它們用來存放每次垃圾回收後存活下來的對象

2） 在Old Generation中，主要存放應用程序中生命週期長的內存對象

3） 在Young Generation塊中，垃圾回收通常用Copying的算法，速度快。每次GC的時候，存活下來的對象首先由Eden拷貝到某個SurvivorSpace，當Survivor Space空間滿了後，剩下的live對象就被直接拷貝到OldGeneration中去。所以，每次GC後，Eden內存塊會被清空。

4） 在Old Generation塊中，垃圾回收通常用mark-compact的算法，速度慢些，但減小內存要求

5） 垃圾回收分多級，0級爲所有(Full)的垃圾回收，會回收OLD段中的垃圾；1級或以上爲部分垃圾回收，只會回收Young中的垃圾，內存溢出一般發生於OLD段或Perm段垃圾回收後，仍然無內存空間容納新的Java對象的狀況

2. jvm性能調優都作了什麼

JVM啓動參數：調整各代的內存比例和垃圾回收算法，提升吞吐量

目標：

GC的時間足夠的小

GC的次數足夠的少

發生Full GC的週期足夠的長

實踐：

（1）針對JVM堆的設置，通常能夠經過-Xms -Xmx限定其最小、最大值，爲了防止垃圾收集器在最小、最大之間收縮堆而產生額外的時間，咱們一般把最大、最小設置爲相同的值

（2）年輕代和年老代將根據默認的比例（1：2）分配堆內存，能夠經過調整兩者之間的比率NewRadio來調整兩者之間的大小，也能夠針對回收代，好比年輕代，經過 -XX:newSize -XX:MaxNewSize來設置其絕對大小。一樣，爲了防止年輕代的堆收縮，咱們一般會把-XX:newSize -XX:MaxNewSize設置爲一樣大小

（3）年輕代和年老代設置多大才算合理？這個我問題毫無疑問是沒有答案的，不然也就不會有調優。咱們觀察一下兩者大小變化有哪些影響

更大的年輕代必然致使更小的年老代，大的年輕代會延長普通GC的週期，但會增長每次GC的時間；小的年老代會致使更頻繁的Full GC

更小的年輕代必然致使更大年老代，小的年輕代會致使普通GC很頻繁，但每次的GC時間會更短；大的年老代會減小Full GC的頻率

如何選擇應該依賴應用程序對象生命週期的分佈狀況：若是應用存在大量的臨時對象，應該選擇更大的年輕代；若是存在相對較多的持久對象，年老代應該適當增大。但不少應用都沒有這樣明顯的特性，在抉擇時應該根據如下兩點：（A）本着Full GC儘可能少的原則，讓年老代儘可能緩存經常使用對象，JVM的默認比例1：2也是這個道理 （B）經過觀察應用一段時間，看其餘在峯值時年老代會佔多少內存，在不影響Full GC的前提下，根據實際狀況加大年輕代，好比能夠把比例控制在1：1。但應該給年老代至少預留1/3的增加空間

（4）在配置較好的機器上（好比多核、大內存），能夠爲年老代選擇並行收集算法： -XX:+UseParallelOldGC ，默認爲Serial收集

（5）線程堆棧的設置：每一個線程默認會開啓1M的堆棧，用於存放棧幀、調用參數、局部變量等，對大多數應用而言這個默認值太了，通常256K就足用。理論上，在內存不變的狀況下，減小每一個線程的堆棧，能夠產生更多的線程，但這實際上還受限於操做系統。

程序算法：改進程序邏輯算法提升性能

調優原則：

一、多數的Java應用不須要在服務器上進行GC優化；

二、多數致使GC問題的Java應用，都不是由於咱們參數設置錯誤，而是代碼問題；

三、在應用上線以前，先考慮將機器的JVM參數設置到最優（最適合）；

四、減小建立對象的數量；

五、減小使用全局變量和大對象；

六、GC優化是到最後不得已才採用的手段；

七、在實際使用中，分析GC狀況優化代碼比優化GC參數要多得多；

調優目的：

一、將轉移到老年代的對象數量下降到最小；

二、減小full GC的執行時間；

調優手段：

一、減小使用全局變量和大對象；

二、調整新生代的大小到最合適；

三、設置老年代的大小爲最合適；

四、選擇合適的GC收集器；

調優步驟：

1，監控GC的狀態

2，分析結果，判斷是否須要優化

若是各項參數設置合理，系統沒有超時日誌出現，GC頻率不高，GC耗時不高，那麼沒有必要進行GC優化；若是GC時間超過1-3秒，或者頻繁GC，則必須優化；

注：若是知足下面的指標，則通常不須要進行GC：

Minor GC執行時間不到50ms；

Minor GC執行不頻繁，約10秒一次；

Full GC執行時間不到1s；

Full GC執行頻率不算頻繁，不低於10分鐘1次；

3，調整GC類型和內存分配

4，不斷的分析和調整

5，全面應用參數

3. 介紹JVM中7個區域，而後把每一個區域可能形成內存的溢出的狀況說明

順口溜：器池堆，棧棧區區；棄池堆，站站曲曲（一離開衛生間，肚子疼的站不起身）

虛擬機規範中的7個內存區域分別是三個線程私有的和四個線程共享的內存區

線程私有內存區域：與線程具備相同生命週期，分別是：指令計數器、線程棧和本地線程棧

四個共享區：是全部線程共享的，在JVM啓動時就會分配，分別是：方法區、 常量池、直接內存區和堆（即咱們一般所說的JVM的內存分爲堆和棧中的堆，後者就是前面的線程棧）

4. jvm 如何分配直接內存，常量池解析

直接內存：並非虛擬機運行時數據區的一部分，但直接內存被頻繁使用也可能致使OutOfMemoryError異常出現。在NIO中，引入了一種基於通道和緩衝區的I/O方式，它可使用native函數直接分配堆外內存，而後經過一個存儲在java堆中的DirectByteBuffer對象做爲這塊內存的引用進行操做

-XX:MaxDirectMemorySize設置最大值，默認與java堆最大值同樣

常量池：JVM爲每一個已加載的類型維護一個常量池，常量池就是這個類型用到的常量的一個有序集合。包括直接常量(基本類型，String)和對其餘類型、方法、字段的符號引用。池中的數據和數組同樣經過索引訪問。因爲常量池包含了一個類型全部的對其餘類型、方法、字段的符號引用，因此常量池在Java的動態連接中起了核心做用。常量池存在於堆中

5. 數組多大放在JVM老年代

虛擬機提供了一個-XX:PretenureSizeThreshold參數，令大於這個設置值的對象直接在老年代中分配。這樣作的目的是避免在Eden區及兩個Survivor區之間發生大量的內存拷貝

新生代經歷minor gc ，年齡到達閾值。過大對象。minor gc後仍存在大量對象，分配survivor不能存儲的對象到老年代。某種相同年齡對象相加綜合大於survivor一半，大於或等於這個年齡值的對象直接到老年代

對應的年輕代回收機制是：標記-複製。（圖片來自網絡）

對應的老年代回收機制是：標記-清除(或標記-整理)。（圖片來自網絡）

1. 標記-清除

2. 標記-複製

3. 標記-整理

4. 分代回收

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