【Java开发岗面试】八股文—Java虚拟机（JVM）

声明：

1. 背景：本人为24届双非硕校招生，已经完整经历了一次秋招，拿到了三个offer。
2. 本专题旨在分享自己的一些Java开发岗面试经验（主要是校招），包括我自己总结的八股文、算法、项目介绍、HR面和面试技巧等等，如有建议，可以友好指出，感谢，我也会不断完善。
3. 想了解我个人情况的，可以关注我的B站账号：东瓜Lee

Java程序的运行环境（Java二进制字节码的运行环境）

好处：

1. 一次编写， 到处运行
2. 自动内存管理，垃圾回收机制（GC）

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面试题：

JVM组成：

1. JVM有什么作用？

   JVM 其实就是一个虚拟机，它在计算机上模拟了一台真正的计算机，而且是与平台无关的，这意味着 Java 代码可以在任何支持JVM的平台上运行，而不需要考虑平台的具体细节。JVM 是 Java 的核心，它为 Java 语言提供了强大的功能和平台无关性。

   JVM 的主要作用包括：

   1. Java 代码的编译和解释执行：Java代码首先被编译成字节码，然后由JVM解释执行字节码。JVM 使用即时编译技术（Just-In-Time Compilation，JIT）将频繁执行的代码编译成本地机器代码，从而提高执行效率。
   2. 内存管理：JVM 提供了垃圾回收机制，自动管理内存分配和释放，避免了内存泄漏和空指针异常等问题。
   3. 安全管理：JVM 可以对 Java 代码进行安全性检查，防止恶意代码对系统造成损害。
   4. 多线程支持：JVM 可以处理多个线程的并发执行，保证线程安全。
   5. 跨平台兼容性：JVM 实现了一种平台无关的执行环境，使 Java 代码可以在不同平台上运行。

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2. 什么是程序计数器

   1. 线程私有的（没有线程安全问题），内部保存的是字节码的行号，存储 正在执行的字节码指令地址。
   2. 把Java编译后的class文件，反编译成汇编语言代码后就能看到，程序的执行是按照命令的行号来的，程序计数器记录的就是这个行号（比如线程1执行到了第10行，然后cpu切换到了其他线程，其他线程执行完后继续来执行线程1，就会从程序计数器中得到第10行继续执行）。

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3. 什么是Java虚拟机栈（Java方法栈）

   1. 栈的特点就是先进后出 后进后出的数据结构
   2. 每个线程运行时所需要的内存，称为虚拟机栈（多个线程运行，就会创建多个虚拟机栈，线程安全的）
   3. 每个栈由多个栈帧(frame) 组成，对应着每次方法调用时所占用的内存（但是每个线程只能有一一个活动栈帧，对应着当前正在执行的那个方法）

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4. 什么是本地方法栈？

   本地方法就是native method，它底层并不是由java实现的，一般是和操作系统底层比较相关的方法。

   本地方法栈就是用来支持本地方法的调用逻辑的。

   本地方法栈和虚拟机栈一样 都是用于支持当前线程的方法调用的，所以都是线程安全的。

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5. 垃圾回收是否涉及栈内存?

   1. 垃圾回收主要指就是堆内存，对象存储在堆内存，垃圾回收器回收的主要是对象
   2. 对于栈而言，当栈帧弹栈以后（当前方法执行完毕），内存就会释放，所以不需要被GC回收

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6. 栈内存分配越大越好吗?

   1. 未必，默认的栈内存通常为1024k（1m）
   2. 栈帧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，那么能活动的栈帧就会减半

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7. 什么情况下会导致栈内存溢出?

   1. 栈帧过多（方法调用过多）导致栈内存溢出，典型问题：递归调用
   2. 栈帧过大（每个方法分配的空间太大）导致栈内存溢出
   3. StackOverflowError

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8. 方法内的局部变量是否线程安全?

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1. 如果方法内局部变量没有逃离方法的作用范围（不作为形参也不作为返回值），它是线程安全的
2. 如果是局部变量引用了对象，并逃离方法的作用范围（比如作为形参和返回值），则需要考虑线程安全问题

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9. 你能给我详细的介绍下Java的堆吗?

   1. 是所有线程共享的内存空间（有线程安全问题），可以被垃圾回收器回收

   2. 存储对象实例和数组

   3. 当堆内存不够时，就会抛出OutOfMemoryError异常

   4. 堆是由年轻代和老年代组成的（比例为1：2）

      年轻代又被分为了三个区域：Eden、survivor(from+to)

   5. 不同于数据结构中的堆（最大堆，最小堆）

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10. 能不能介绍一下方法区

    1. 方法区(Method Area)是各个线程共享的内存区域（具有线程安全问题）
    2. 方法区是一个抽象的概念，永久代（before）和元空间（now）是实现
    3. 主要存储类的信息、运行时常量池
       1. 运行时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信息
    4. 虚拟机启动的时候创建方法区，关闭虚拟机时释放方法区
    5. 如果方法区域中的内存无法满足分配请求，则会抛出OutOfMemoryError: Metaspace

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11. 堆和栈的区别是什么

    1. jvm上：

       1. 堆内存是用来存储Java对象和数组的，堆内存会使用GC来执行垃圾回收，所有线程共有的（有线程安全问题）
       2. 栈内存一般会用来存储局部变量和方法调用，栈内存不会使用GC，不同的线程对应有不同的栈（没有线程安全问题）
       3. 两者出现内存溢出，都会抛异常，一个是OutOfMemoryError，一个是StackOverFlowError
       4. 栈的空间大小远远小于堆的空间

    2. 数据结构上：

       1. 栈是一种线性表，符合先进后出，后进先出的特点
       2. 堆是一种树形结构，是一种特殊的完全二叉树
          1. 如果所有的节点都>=它的父节点，那么这个堆就是最小堆
          2. 如果所有的节点都<=它的父节点，那么这个堆就是最大堆

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12. 你听过直接内存吗

    1. 直接内存：并不属于JVM中的内存结构，不由JVM进行管理。是虚拟机的系统内存，常见于NIO操作时，用于数据缓冲区，它分配回收成本较高，但读写性能高
    2. 普通IO也叫做BIO，NIO的效率更高（比如作文件拷贝的时候）

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11. Java从源代码文件.java 到代码执行的过程

    1. **编译：**编译器将.java源代码文件编译成.class字节码文件（编译过程会对源代码做语法分析、语义分析、注解处理等等）
    2. **加载：**类加载器会将.class字节码文件加载到JVM中（加载过程又可以分为：装载、连接、初始化）
    3. **解释：**JVM可以把字节码转换为操作系统可以识别的指令
    4. **执行：**操作系统就可以调用CPU来执行指令了

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12. 什么是类加载器，类加载器有哪些？

    JVM只会运行二进制文件，类加载器的作用就是将.class字节码文件加载到JVM中，从而解释执行字节码文件以启动Java程序。

    1. 启动类加载器（BootStrap ClassLoader）：加载JAVA HOME/jre/lib目录下的库（底层是c++实现的）
    2. 扩展类加载器（ExtClassLoader）：加载JAVA HOME/jre/lib/ext目录中的类
    3. 应用类加载器（AppClassLoader）：加载classPath下的类
    4. 自定义类加载器（CustomizeClassLoader）：继承自ClassLoader，实现自定义类加载规则

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13. 什么是双亲委派模型？

    加载某一个类，先委托上一级的加载器进行加载，如果上级加载器也有上级，则会继续向上委托，如果上级已经加载了这个类了，就直接返回给下级子加载器，如果该类委托的上级没有被加载，子加载器才会加载该类。

比如一个Student类，首先应用类加载器 向上委托到 扩展类加载器，扩展类加载器 继续向上委托到 启动类加载器，发现没有加载过这个类，那么子加载器（应用类加载器）就会加载Student类。如果是String类，应用类加载器 一直向上委托到 启动类加载器，启动类加载器中已经加载过String类了，那么就可以直接返回给子加载器（应用类加载器）。

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14. JVM为什么采用双亲委派机制？

    1. 通过双亲委派机制可以避免某一个类被重复加载，当父类已经加载后则无需重复加载，以保证类加载的唯一性。
    2. 为了安全，保证类库API不会被修改（比如String类已经被加载了，又去定义一个String类就会报错）。

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15. 说一下类装载的执行过程？【待学习】

    1. 加载：查找和导入.class文件
    2. 验证：保证加载类的准确性
    3. 准备：为类变量分配内存并设置类变量的初始值
    4. 解析：把类中的符号引用转换为直接引用
    5. 初始化：对类的静态变量、静态代码块执行初始化操作
    6. 使用：JVM开始从入口方法执行用户的程序代码
    7. 卸载：当用户程序代码执行完毕后，JVM便开始消耗创建的class对象

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15. 对象什么时候可以被垃圾回收器GC回收？

    简单的来说就是对象没有被引用了，也就是被定义为了垃圾对象，就可以被垃圾回收器回收了。

    那怎么定义对象是否为垃圾对象呢，一般会有两种方式：引用计数器法、可达性分析算法

    1. 引用计数法：每个对象都有一个引用计数器，记录了它被引用的次数，如果为0，就被定义为垃圾对象。

       虽然用起来简单，但是具有一个致命的问题，就是循环引用的问题，比如一个对象A有个属性引用了对象B，对象B有个属性引用了对象A，那么即使他们俩没有被其它的变量引用了，他们对应的引用计数器的值还是都为1，那实际上这两个对象都不需要用了，但是垃圾回收器也回收不了他们，就会引发内存泄露的问题。所以Java不是采用这种机制。

    2. 可达性分析算法：会有个GC Roots对象作为根节点，沿着这个节点向下走，如果可以被扫描到的对象，就是可达对象，也就是不能被回收的，不可达的对象就说明是垃圾对象，要被回收。

       可以作为GC Roots的对象一般有：

       1. 虚拟机栈中引用的对象
       2. 方法区中类静态属性引用的对象
       3. 方法区中常量引用的对象

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16. JVM垃圾回收算法有哪些？

    1. 标记-清除算法：分为标记和清除两个阶段，首先使用可达性分析算法标记所有存活的对象，标记完成后 统一回收所有没有被标记的对象（也就是垃圾对象）。

       缺点：标记清除之后会产生大量不连续的内存碎片，如果内存不连续了，则有可能不能存储一些占用内存大的对象或者数组。

    2. 标记-整理算法：对标记-清除算法的改进，也是先标记出所有存活的对象，然后把所有没有被标记的对象进行清除，但是它清除之后呢，会将目前存活的对象往一端移动，也就是进行整理，这样就使得内存是连续的，没有内存碎片了。

       但是因为多了个整理的过程，所以垃圾回收的效率会受到影响。

    3. 复制算法：把内存分为大小相等的两块区域，一片区域B不存放对象，另一片区域A使用可达性分析算法标记出存活的对象，统一放置到区域B，然后再把区域A中的剩余对象（也就是要被回收的对象）给全部回收了。

       优点：效率比较高，而且也没有内存碎片

       缺点：实际可使用的内存空间缩小为原来的一半，内存利用率较低。

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17. 说一下JVM中的分代回收？

    1. 堆的区域划分
       1. 堆被分为了两份：新生代和老年代（1: 2）
       2. 对于年轻代，内部又被分为了三个区域，Eden区，幸存者区survivor(分成from和to)（8:1:1）
    2. 对象回收分代回收的策略
       1. 新创建的对象，都会先分配到Eden区
       2. 当Eden区内存不足时，使用可达性分析算法标记出Eden区和from区存活的对象，将存活的对象采用复制算法复制到to区中，复制完毕后，将Eden区和from区的内存释放
       3. 经过一段时间后，Eden区又出现内存不足，标记Eden区和to区的存活对象，将其复制到from区
       4. 当from区对象经过了很多次垃圾回收（默认15次），直接放到老年代

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18. 说一下JVM有哪些垃圾回收器？

    1. 串行垃圾回收器

       是指使用单线程来进行垃圾回收，也就是垃圾回收时，只有一个线程在工作，适合堆内存较小的，比如说PC电脑。

       而且一个线程在进行垃圾回收的时候，其他所有线程都要暂停，等待垃圾回收的完成，

       具体来说包含Serial和Serial Old串行垃圾回收器：

       1. Serial作用于新生代，采用复制算法
       2. Serial Old作用于老年代，采用标记-整理算法

    2. 并行垃圾回收器

       JDK8默认采用的就是并行的垃圾回收器，也就是说有多个线程同时进行垃圾回收，而且其他的线程也都要暂停，等待垃圾回收的完成，才能继续执行。

       具体来说包含Parallel New和Parallel Old并行垃圾回收器：

       1. Parallel New作用于新生代，采用复制算法
       2. Parallel Old作用于老年代，采用标记-整理算法

    3. 并发（CMS）垃圾回收器

       CMS是一个并发的、使用标记-清除算法的垃圾回收器，该回收器主要是针对老年代垃圾回收的，是一款以获取最短回收停顿时间为目标的收集器，停顿时间短，用户体验就好。其最大特点是在进行垃圾回收时，应用仍然能正常运行。

    4. G1垃圾回收器

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19. 强引用、软引用、弱引用、虚引用是什么？有什么区别？

    引用主要是用来引用对象的，被分为四种类型，区别主要就是在对对象进行垃圾回收的时候，会有不同

    1. 强引用：最普通的引用方式，表示一个对象处于有用且必须的状态，如果一个对象具有强引用，则GC并不会回收它。即便堆中内存不足了，宁可出现OOM，也不会对其引用的对象进行回收。

    User user = new User();
    

    2. **软引用：**如果一个对象时被软引用的，那么在垃圾回收的时候，如果内存空间还足够，这个对象就不会被回收，如果再次垃圾回收的时候，发现内存空间不足了，才会被回收软引用的对象。

    User user = new User();
    SoftReference softReference = new SoftReference(user);
    

    3. 弱引用：表示一个对象处于可能有用且非必须的状态。在GC线程扫描内存区域时，一旦发现弱引用，就会回收到弱引用相关联的对象。对于弱引用的回收，无关内存区域是否足够，一旦发现则会被回收。

    User user = new User();
    WeakReference weakReference = new WeakReference(user);
    

​ 4. 虚引用：配合引用队列使用

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21. JVM调优的参数可以在哪里设置

    1. 使用SSM做开发的时候，war包部署在tomcat服务器中，可以在tomcat的文件中设置

       修改TOMCAT_HOME/bin/catalina.sh文件

    2. 使用SpringBoot做开发的时候，是使用的jar包，在启动命令中设置

       Java -Xms512 -Xmx1024m -jar

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22. 用的JVM调优的参数都有哪些？

    JVM调优主要就是调整新生代、老年代的堆内存空间大小，虚拟机栈空间，元空间大小，还可以调整垃圾回收器的类型。

    新生代中的对象什么时候进入老年代？

    在对象被创建的时候，一般就是放在新生代，如果有这么几种情况就会放到老年代：

    1. 达到晋升的年龄：新生代对象在经历GC的时候，如果没有被回收，就会年龄+1，如果年龄到达阈值，就会进入老年代，默认情况下阈值为15，当然也可以通过JVM调优参数来设置。
    2. 如果创建的对象很大，也可能会直接进入老年代，具体的大小也可以通过JVM调优参数来设置。

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23. 说一下JVM调优的工具？

    1. jdk自带的命令工具：

       jps：进程状态信息
       jstack：查看Java进程内线程的堆栈信息
       jmap：查看堆转信息
       jhat：堆转储快照分析工具
       jstat：JVM统计监测工具

    2. 可视化工具
       jconsole：用于对jvm的内存，线程，类的监控

       VisualVM：能够监控线程，内存情况

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24. Java内存泄露的排查思路？

    （在实际开发中，遇到内存溢出的情况，怎么解决？借助什么工具？解决流程？）

    内存泄漏有几种情况：

    1. 虚拟机栈：StackOverFlowError，一般就是递归造成的，方法调用过多，栈帧过多，虚拟机栈空间有限，一般为1024k，就容易爆栈，可以去看下递归的边界条件有没有设置好
    2. 方法区：OutOfMemoryError:Metaspace，一般是动态加载的类太多了，可以从这个方面去排查
    3. 堆：OutOfMemoryError:java heap space，内存泄漏通常是指的堆内存，一般是出现了一些大对象没有被回收的情况
       1. 通过jmap或设置m参数 来获取堆内存的快照dump文件
       2. 通过VisualVM可视化工具工具 去分析dump文件，VisualVM可以加载离线的dump文件
       3. 通过查看堆信息的情况，可以大概定位内存溢出是哪行代码出了问题
       4. 找到对应的代码，通过阅读上下文的情况，进行修复即可

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25. CPU飙高排查方案与思路？

    1. 在linux中可以使用top命令查看cpu的使用情况，可以看到是哪一个进程占用cpu较高
    2. 使用ps命令查看这个进程中的线程信息
    3. 使用jstack命令查看进程中哪些线程出现了问题，最终定位问题（可能的情况比如说，一个线程里面开了死循环）。

【后续继续补充，敬请期待】