Java虚拟机(JVM)知多少

本文大量参考：https://www.cnblogs.com/lfs2640666960/p/9297176.html

概述

       JVM是JRE的一部分。它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。JVM有自己完善的硬件架构，如处理器、堆栈、寄存器等，还具有相应的指令系统。Java语言最重要的特点就是跨平台运行。使用JVM就是为了支持与操作系统无关，实现跨平台。所以，JAVA虚拟机JVM是属于JRE的，而现在我们安装JDK时也附带安装了JRE(当然也可以单独安装JRE)。

参考：https://blog.csdn.net/stanlee_0/article/details/51171382

0. JVM与进程的关系

       简单理解，一个启动的JVM实例相当于操作系统中工作的一个进程，杀死这个进程，JVM实例也停止工作。

      虚拟机是运行在操作系统之中的，那么什么东西才能在操作系统中运行呢？当然是进程，因为进程是操作系统中的执行单位。当我们启动一个Java应用程序时，实际是在系统中启动一个JVM实例，由这个JVM实例负责加载执行管理.class文件。不同的进程(JVM实例)间是相互隔离的。一个JVM实例内可以启动多个线程，线程间可以共享部分资源(堆内存、元数据区)，多线程并发编程指的是在同一个JVM实例内同时启动多个线程实例并发工作。

1. 一次编译，到处运行

　　从软件架构的角度来看，如果需要实现不同平台的兼容性，有效办法便是加一个中间层进行封装，在Java世界中，JVM就是这个中间层。JVM屏蔽了平台间的差异，针对不同的操作系统开发了不同的本地方法栈，对上层暴露出同意的接口，使得在Windows系统编写的Java代码编译后能在linux系统上部署的JVM里正常运行，开发人员只需完成代码开发编译成.class文件的JVM字节码，即可实现一次编译，到处运行。

1.1 Java源码编译由以下三个过程组成：

• 分析和输入到符号表
• 注解处理
• 语义分析和生成class文件

　　class文件为8位字节码(ByteCode)组成，Java所有指令有200个左右，8位可以表示256种指令信息。前4个字节CAFE BABE为Gosling定义的一个魔法数，标志位一个Java类文件，缺失此魔法数则表示该文件不是一个Java文件或者文件已损坏。紧接着的4个字节为JDK的版本号，0x34为52，对应JDK1.8.0。

.class文件中的字节码

　　　　　　Java代码编译过程

　　

1.2 编译时期-语法糖

语法糖可以看做是编译器实现的一些“小把戏”，这些“小把戏”可能会使得效率“大提升”。

泛型是最常见的语法糖：

• 泛型只在Java源码中存在，编译后会被替换为原来的原生类型。这个过程也被称为：泛型擦除。

泛型的作用：

• 代码更加简洁【不用强制转换】
• 程序更加健壮【只要编译时期没有警告，那么运行时期就不会出现ClassCastException异常】
• 可读性和稳定性【在编写集合的时候，就限定了类型】

• 了解泛型更多的知识：https://segmentfault.com/a/1190000014120746

 那么从.class文件到最终的代码执行，JVM到底进行了哪些工作，下面从代码的加载出发，详细描述。

2. JVM的加载class文件

2.1 JVM加载class文件的策略　　

　虚拟机规范则是严格规定了有且只有5种情况必须立即对类进行“初始化”(class文件加载到JVM中)：

• 创建类的实例(new 的方式)。访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值，调用类的静态方法
• 反射的方式
• 初始化某个类的子类，则其父类也会被初始化
• Java虚拟机启动时被标明为启动类的类，直接使用java.exe命令来运行某个主类（包含main方法的那个类）
• 当使用JDK1.7的动态语言支持时(....) 

　所以JVM是动态加载java类的：

• 优先加载保证程序运行的基础类(像是基类)到jvm中，至于其他类，则在需要的时候才加载，节省内存开销。

 2.2 JVM的类加载器

　　2.2.1 各个加载器的工作责任：

• 1）Bootstrap ClassLoader：负责加载$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar里所有的class，由C++实现，不是ClassLoader子类
• 2）Extension(Platform) ClassLoader：负责加载java平台中扩展功能的一些jar包，包括$JAVA_HOME中jre/lib/*.jar或-Djava.ext.dirs指定目录下的jar包
• 3）App ClassLoader：负责记载classpath中指定的jar包及目录中class

 

　　

 　　2.2.2 双亲委派模式　　

• 1、当AppClassLoader加载一个class时，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把类加载请求委派给父类加载器ExtClassLoader去完成。
• 2、当ExtClassLoader加载一个class时，它首先也不会自己去尝试加载这个类，而是把类加载请求委派给BootStrapClassLoader去完成。
• 3、如果BootStrapClassLoader加载失败（例如在$JAVA_HOME/jre/lib里未查找到该class），会使用ExtClassLoader来尝试加载；
• 4、若ExtClassLoader也加载失败，则会使用AppClassLoader来加载
• 5、如果AppClassLoader也加载失败，则会报出异常ClassNotFoundException 

　　简单来说：如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把请求委托给父加载器去完成，依次向上。

　　双亲委派模式的优点：

• 　　防止内存中出现多份同样的字节码(安全性角度)

　　特别说明：

• 类加载器在成功加载某个类之后，会把得到的java.lang.Class类的实例缓存起来。下次再请求加载该类时，类加载器会直接使用缓存的类的实例，而不会尝试再次加载。

 　　2.2.3 类加载详细过程

 　　加载器加载到jvm中，接下来其实又分了好几个步骤：

• 加载，查找并加载类的二进制数据，在Java堆中也创建一个java.lang.Class类的对象。
• 连接，连接又包含三块内容：验证、准备、初始化。

        1）验证，文件格式、元数据、字节码、符号引用验证；
        2）准备，为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值；
         3）解析，把类中的符号引用转换为直接引用

• 初始化，为类的静态变量赋予正确的初始值。

　　

 

 2.3 class文件执行模式 　　

　字节码由类加载器加载到JVM环境后，有三种执行模式：

    第一种：解释执行；

    第二种：JIT编译执行；将代码转换成机器码，直接交给CPU执行，提高执行效率；

    第三种：解释与JIT编译混合执行(主流JVM默认执行方式)。

    由于混合执行在机器启动时以解释执行为主，执行效率会低于经过JIT动态编译热点代码的热机，冷机能承受负载要小于热机，在发布切流时需注意此差别可能造成冷机过载假死。

• 编译也是要花费时间的，我们一般对热点代码做编译，非热点代码直接解析就好了。

热点代码解释：一、多次调用的方法。二、多次执行的循环体

 　使用热点探测来检测是否为热点代码，热点探测有两种方式：

• 采样
• 计数器

　　目前HotSpot使用的是计数器的方式，它为每个方法准备了两类计数器：

• 方法调用计数器（Invocation  Counter）
• 回边计数器（Back  EdgeCounter）。
• 在确定虚拟机运行参数的前提下，这两个计数器都有一个确定的阈值，当计数器超过阈值溢出了，就会触发JIT编译。

 　 详情参考：

• https://www.mrsssswan.club/2018/06/30/jvm-start1/---浅解JVM加载class文件
• https://zhuanlan.zhihu.com/p/28476709---JVM杂谈之JIT

　　扩展阅读：

• https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-classloader/---深入探讨 Java 类加载器
• https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-just-in-time/---深入浅出 JIT 编译器
• https://www.zhihu.com/question/46719811---Java 类加载器（ClassLoader）的实际使用场景有哪些？

3 JVM内存模型

 类加载进虚拟机后，会为新生对象分配内存。

3.1 Java对象内存花费：
（1）每个Java对象，都有一个对象头，占用16字节，包含一些对象的元信息，比如指向他的类的指针。
如果对象本身很小，比如int，但是他的对象头比对象自己还大。
（2）Java的String对象，会比他内存的原始数据，多出40个字节。
String内部使用的char数组来保存内部的字符串序列，并且还要保存诸如输出长度之类的信息。
char使用的是UTF-16编码，每个字符会占2个字节。比如，包含10个字符的String，2*10+40=60字节
（3）Java中的集合类型，比如HashMap和LinkedList，内部使用链表数据结构。
链表中的每个数据，使用Entry对象包装。
Entry对象，不光有对象头，还有指向下一个Entry的指针，占用8字节。
（4）元素类型为原始数据类型（int），内部通常会使用原始数据类型的包装类型（Integer）来存储元素。

 

3.2 Heap(堆区)

    Heap是OOM(OutOfMemory)的主要发源地，它存储着几乎所有的实例对象，堆由垃圾收集器自动回收，被各子线程共享。

    堆主要分为两大块：新生代和老年代。Eden为新对象的出生区，当Eden区填满时会出发YGC(Young Garbage Collection)，将依然存活的对象送往Survivor区(S0|S1)。S0|S1在每次清理时会将存活对象整理到未使用的空间，然后清除当前使用的空间，可以减少内存碎片化。老年代于保存超过YGC次数阈值的对象以及超大对象。当老年代无法存放更多对象时会触发FGC(Full Garbage Collection)，如果依然无法放下，则抛出OOM。

3.3 JVM Stack(虚拟机栈)

    虚拟机栈是描述Java方法执行的内存区域，是线程私有的。线程是CPU执行任务的最小单位，任一时刻一个CPU内核只能运行一个线程的一条指令。方法的调用开始到执行完成的过程，就是栈桢从入栈到出栈的过程。在线程活动中，只有位于栈顶的桢才是有效的，称为当前帧，正在执行的方法称为当前方法，所有指令都只能对当前栈桢进行操作。StackOverflowError表示栈溢出，常出现在递归方法中。

3.4 Metaspace(元空间)

    以Hotspot(JVM)为例，在JDK7及之前版本中有Perm(永久代)区，在启动时固定大小，难以调优。在某些动态加载类过多的场景，易发生Perm区的OOM。此外，永久代在垃圾回收过程中还存在诸多问题。所以，在JDK8中用元空间替代。

    元空间不同于永久代，它在本地内存中分配。在JDK8中，Perm区的字符串常量移至堆内存，其他如类元信息、字段、静态属性、方法、常量等移至元空间。

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方法区的运行时常量池中存放--->来源：深入理解Java虚拟机 JVM高级特性与最佳实践（第二版）

 　　****注：关于String的加载过程有疑虑，需进一步了解。

HotSpot VM里，记录interned string的一个全局表叫做StringTable，它本质上就是个HashSet<String>。注意它只存储对java.lang.String实例的引用，而不存储String对象的内容

　　如下例中test2的结果不能详解。

        @Test
	public void test1() {
		System.out.println("-----*******test1*********-----");

		String s = new String("1");
		s.intern();
		String s1 = "1";
		System.out.println(s == s1); // false

		String s3 = new String("1") + new String("1");
		s3.intern();
		String s4 = "11";

		System.out.println(s3 == s4); // false
	}    

        @Test
	public void test2() {
		System.out.println("-----*******test2*********-----");
		
		String s1 = new String("he") + new String("llo");
		String s2 = new String("h") + new String("ello");
		String s5 = "hello";
		
		String s3 = s1.intern();
		String s4 = s2.intern();
		
		System.out.println(s1 == s3); // false
		System.out.println(s1 == s4); // false
		System.out.println(s1 == s2); // false
		System.out.println(s1 == s5); // false
		System.out.println(s2 == s5); // false
	}

	@Test
	public void test2() {
		System.out.println("-----*******test2*********-----");
		
		String s1 = new String("he") + new String("llo");
		String s2 = new String("h") + new String("ello");
//		String s5 = "hello";
		
		String s3 = s1.intern();
		String s4 = s2.intern();

		System.out.println(s1 == s3); // true
		System.out.println(s1 == s4); // true
		System.out.println(s1 == s2); // false
//		System.out.println(s1 == s5); // false
//		System.out.println(s2 == s5); // false
	}

3.5 本地方法栈&程序计数器

    本地方法栈主要为本地(Native)方法服务，本地方法通过JNI(Java Native Interface)来访问虚拟机运行时数据区，具有和JVM相同的权限和能力。一般不建议大量实现JNI，易丧失跨平台特性，影响稳定性。

    程序计数器用来存放执行指令的偏移量和行号指示器等，线程执行或回复都要依赖程序计数器。

 4. GC垃圾回收

4.1JVM垃圾回收简单介绍

在C++中，我们知道创建出的对象是需要手动去delete掉的。我们Java程序运行在JVM中，JVM可以帮我们“自动”回收不需要的对象。

首先，JVM回收的是垃圾，垃圾就是我们程序中已经是不需要的了。垃圾收集器在对堆进行回收前，第一件事情就是要确定这些对象之中哪些还“存活”着，哪些已经“死去”。判断哪些对象“死去”常用有两种方式：

• 引用计数法-->这种难以解决对象之间的循环引用的问题
• 可达性分析算法-->主流的JVM采用的是这种方式

 

4.2 JVM垃圾回收算法

现在已经可以判断哪些对象已经“死去”了，我们现在要对这些“死去”的对象进行回收，回收也有好几种算法：

• 标记-清除算法
• 复制算法
• 标记-整理算法
• 分代收集算法

无论是可达性分析算法，还是垃圾回收算法，JVM使用的都是准确式GC。JVM是使用一组称为OopMap的数据结构，来存储所有的对象引用(这样就不用遍历整个内存去查找了，时间换空间)。

并且不会将所有的指令都生成OopMap，只会在安全点上生成OopMap，在安全区域上开始GC。

• 在OopMap的协助下，HotSpot可以快速且准确地完成GC Roots枚举（可达性分析）。

4.3 常用垃圾收集器

上面所讲的垃圾收集算法只能算是方法论，落地实现的是垃圾收集器：

• Serial收集器
• ParNew收集器
• Parallel Scavenge收集器
• Serial Old收集器
• Parallel Old收集器
• CMS收集器
• G1收集器

上面这些收集器大部分是可以互相组合使用的。 垃圾收集器主要关注空间碎片和STW(Stop The World：STW执行时会暂停整个应用程序的执行)影响性能的问题。Hotspot新一代的垃圾回收器G1具备压缩功能，能避免碎片问题，且其暂停时间更加可控。

 

参考资料：

• http://www.cnblogs.com/redcreen/archive/2011/05/04/2037057.html---JVM系列三:JVM参数设置、分析

5. JVM面试题 

5.1详细jvm内存模型 

根据 JVM 规范，JVM 内存共分为虚拟机栈、堆、方法区、程序计数器、本地方法栈五个部分。

具体可能会聊聊jdk1.7以前的PermGen（永久代），替换成Metaspace（元空间）

• 原本永久代存储的数据：符号引用(Symbols)转移到了native heap；字面量(interned strings)转移到了java heap；类的静态变量(class statics)转移到了java heap
• Metaspace（元空间）存储的是类的元数据信息（metadata）
• 元空间的本质和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的实现。不过元空间与永久代之间最大的区别在于：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。
• 替换的好处：一、字符串存在永久代中，容易出现性能问题和内存溢出。二、永久代会为 GC 带来不必要的复杂度，并且回收效率偏低

5.2讲讲什么情况下回出现内存溢出，内存泄漏？

内存泄漏的原因很简单：

• 对象是可达的(一直被引用)
• 但是对象不会被使用 

 public static void main(String[] args) {
         Set set = new HashSet();
         for (int i = 0; i < 10; i++) {
             Object object = new Object();
             set.add(object);
   
            // 设置为空，这对象我不再用了
             object = null;
         }
         // 但是set集合中还维护这obj的引用，gc不会回收object对象
         System.out.println(set);
 }

解决这个内存泄漏问题也很简单，将set设置为null，那就可以避免上诉内存泄漏问题了。其他内存泄漏得一步一步分析了。

内存泄漏参考资料：

• https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/l-JavaMemoryLeak/

内存溢出的原因：

• 内存泄露导致堆栈内存不断增大，从而引发内存溢出。
• 大量的jar，class文件加载，装载类的空间不够，溢出
• 操作大量的对象导致堆内存空间已经用满了，溢出
• nio直接操作内存，内存过大导致溢出

解决：

• 查看程序是否存在内存泄漏的问题
• 设置参数加大空间
• 代码中是否存在死循环或循环产生过多重复的对象实体、
• 查看是否使用了nio直接操作内存。

参考资料：

• https://www.cnblogs.com/bingosblog/p/6661527.html
• http://www.importnew.com/14604.html

5.3说说线程栈

这里的线程栈应该指的是虚拟机栈吧...

JVM规范让每个Java线程拥有自己的独立的JVM栈，也就是Java方法的调用栈。

当方法调用的时候，会生成一个栈帧。栈帧是保存在虚拟机栈中的，栈帧存储了方法的局部变量表、操作数栈、动态连接和方法返回地址等信息

线程运行过程中，只有一个栈帧是处于活跃状态，称为“当前活跃栈帧”，当前活动栈帧始终是虚拟机栈的栈顶元素。

通过jstack工具查看线程状态

参考资料：

• http://wangwengcn.iteye.com/blog/1622195
• https://www.cnblogs.com/Codenewbie/p/6184898.html
• https://blog.csdn.net/u011734144/article/details/60965155

5.4JVM 年轻代到年老代的晋升过程的判断条件是什么呢？

1. 部分对象会在From和To区域中复制来复制去,如此交换15次(由JVM参数MaxTenuringThreshold决定,这个参数默认是15),最终如果还是存活,就存入到老年代。
2. 如果对象的大小大于Eden的二分之一会直接分配在old，如果old也分配不下，会做一次majorGC，如果小于eden的一半但是没有足够的空间，就进行minorgc也就是新生代GC。
3. minor gc后，survivor仍然放不下，则放到老年代
4. 动态年龄判断 ，大于等于某个年龄的对象超过了survivor空间一半 ，大于等于某个年龄的对象直接进入老年代

5.5JVM 出现 fullGC 很频繁，怎么去线上排查问题

这题就依据full GC的触发条件来做：

• 如果有perm gen的话(jdk1.8就没了)，要给perm gen分配空间，但没有足够的空间时，会触发full gc。

    - 所以看看是不是perm gen区的值设置得太小了。

• System.gc()方法的调用

    - 这个一般没人去调用吧~~~

•  当统计得到的Minor GC晋升到旧生代的平均大小大于老年代的剩余空间，则会触发full gc(这就可以从多个角度上看了)

    - 是不是频繁创建了大对象(也有可能eden区设置过小)(大对象直接分配在老年代中，导致老年代空间不足--->从而频繁gc)
    - 是不是老年代的空间设置过小了(Minor GC几个对象就大于老年代的剩余空间了)

　

5.6类加载为什么要使用双亲委派模式，有没有什么场景是打破了这个模式？

双亲委托模型的重要用途是为了解决类载入过程中的安全性问题。

• 假设有一个开发者自己编写了一个名为java.lang.Object的类，想借此欺骗JVM。现在他要使用自定义ClassLoader来加载自己编写的java.lang.Object类。
• 然而幸运的是，双亲委托模型不会让他成功。因为JVM会优先在Bootstrap ClassLoader的路径下找到java.lang.Object类，并载入它

Java的类加载是否一定遵循双亲委托模型？

• 在实际开发中，我们可以通过自定义ClassLoader，并重写父类的loadClass方法，来打破这一机制。
• SPI就是打破了双亲委托机制的(SPI：服务提供发现)。SPI资料：

    - https://zhuanlan.zhihu.com/p/28909673
    - https://www.cnblogs.com/huzi007/p/6679215.html
    - https://blog.csdn.net/sigangjun/article/details/79071850

参考资料：

• https://blog.csdn.net/markzy/article/details/53192993

5.7类的实例化顺序

• 1． 父类静态成员和静态初始化块 ，按在代码中出现的顺序依次执行
• 2． 子类静态成员和静态初始化块 ，按在代码中出现的顺序依次执行
• 3． 父类实例成员和实例初始化块 ，按在代码中出现的顺序依次执行
• 4． 父类构造方法
• 5． 子类实例成员和实例初始化块 ，按在代码中出现的顺序依次执行
• 6． 子类构造方法

 

5.8JVM垃圾回收机制，何时触发MinorGC等操作

当young gen中的eden区分配满的时候触发MinorGC(新生代的空间不够放的时候).

5.9JVM 中一次完整的 GC 流程（从 ygc 到 fgc）是怎样的

这题不是很明白意思(水平有限...如果知道这题的意思可在评论区留言呀~~)

• 因为按我的理解：执行fgc是不会执行ygc的呀~~

YGC和FGC是什么 

• YGC ：对新生代堆进行gc。频率比较高，因为大部分对象的存活寿命较短，在新生代里被回收。性能耗费较小。
• FGC ：全堆范围的gc。默认堆空间使用到达80%(可调整)的时候会触发fgc。以我们生产环境为例，一般比较少会触发fgc，有时10天或一周左右会有一次。

什么时候执行YGC和FGC

• a.eden空间不足,执行 young gc
• b.old空间不足，perm空间不足，调用方法System.gc() ，ygc时的悲观策略, dump live的内存信息时(jmap –dump:live)，都会执行full gc

5.10各种回收算法

GC最基础的算法有三种：

• 标记 -清除算法
• 复制算法
• 标记-压缩算法
• 我们常用的垃圾回收器一般都采用分代收集算法(其实就是组合上面的算法，不同的区域使用不同的算法)。

具体：

• 标记-清除算法，“标记-清除”（Mark-Sweep）算法，如它的名字一样，算法分为“标记”和“清除”两个阶段：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收掉所有被标记的对象。
• 复制算法，“复制”（Copying）的收集算法，它将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这一块的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。
• 标记-压缩算法，标记过程仍然与“标记-清除”算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存
• 分代收集算法，“分代收集”（Generational Collection）算法，把Java堆分为新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。

2.11各种回收器，各自优缺点，重点CMS、G1

图来源于《深入理解Java虚拟机：JVM高级特效与最佳实现》，图中两个收集器之间有连线，说明它们可以配合使用.

 

 

 

• Serial收集器，串行收集器是最古老，最稳定以及效率高的收集器，但可能会产生较长的停顿，只使用一个线程去回收。
• ParNew收集器，ParNew收集器其实就是Serial收集器的多线程版本。
• Parallel收集器，Parallel Scavenge收集器类似ParNew收集器，Parallel收集器更关注系统的吞吐量。
• Parallel Old收集器，Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多线程“标记－整理”算法
• CMS收集器，CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。它需要消耗额外的CPU和内存资源，在CPU和内存资源紧张，CPU较少时，会加重系统负担。CMS无法处理浮动垃圾。CMS的“标记-清除”算法，会导致大量空间碎片的产生。
• G1收集器，G1 (Garbage-First)是一款面向服务器的垃圾收集器,主要针对配备多颗处理器及大容量内存的机器. 以极高概率满足GC停顿时间要求的同时,还具备高吞吐量性能特征。

5.12 stackoverflow错误，permgen space错误

stackoverflow错误主要出现：

• 在虚拟机栈中(线程请求的栈深度大于虚拟机栈锁允许的最大深度)

permgen space错误(针对jdk之前1.7版本)：

• 大量加载class文件
• 常量池内存溢出