JVM面试必备
2025-09-08 09:45:51 0 举报AI智能生成
在准备JVM（Java虚拟机）面试时，重要的是要熟悉其核心概念、架构、内存管理以及性能调优的相关知识点。必须掌握以下几个要点： 1. **JVM架构**：理解JVM的主要组成部分，包括类加载器（ClassLoader）、运行时数据区（如堆、栈、方法区等）、执行引擎以及本地接口。 2. **类加载机制**：类加载的过程包括加载、验证、准备、解析和初始化五个阶段，以及双亲委派模型（Parent Delegation Model）的应用。 3. **内存管理**：深入理解Java堆内存的结构，特别是年轻代、老年代以及持久代（在Java 8以后为元数据区，MetaSpace）的划分和作用；垃圾收集算法（如标记-清除、复制、标记-整理、分代收集）以及常见的垃圾收集器（如Serial、Parallel、CMS、G1等）。 4. **性能调优**：了解如何通过JVM参数和工具（如jvisualvm、jstat、jmap等）监控和调优Java应用程序的性能。 5. **线程同步**：掌握Java内存模型和线程安全相关的知识，理解synchronized和volatile关键字的使用及底层实现。 6. **故障排查**：了解常见的内存泄漏和线程死锁问题的定位和解决方法。 掌握这些内容对于通过JVM相关的面试至关重要，同时也可以加深对Java应用程序性能和稳定性的理解。建议准备示例问题的答案，如解释JVM的工作原理、解释垃圾回收机制、如何诊断和解决内存泄漏等问题。
作者其他创作
大纲/内容
类加载过程
java会启动一个java虚拟机
创建一个引导类加载器
loadclass的类加载过程
加载：通过IO读入字节码文件
验证：验证文件的格式
准备：给类的静态变量分配内存，并赋予默认值
解析：将符号引用替换为直接引用，这个阶段会把静态方法指向数据所存内存的指针或句柄等(直接引用)，也就是静态链接的过程
初始化：对类的静态变量初始化为指定的值，执行静态代码块
符号引用：字节码中描述引用目标的符号，不是直接的内存地址，就是常量池中#代表的字符串
直接引用：字节码加载到内存后替换为内存地址
静态链接：静态方法在运行以后不会变化，那么可以直接替换为内容地址使用，也就是方法区的地址
动态链接：某个方法有多态，那么执行的时候就不一定是执行具体的哪个，所以需要再运行的时候在决定地址
类加载器初始化过程
创建JVM启动器实例sun.misc.Launcher
sun.misc.Launcher初始化使用了单例模式设计，保证一个JVM虚拟机内只有一个sun.misc.Launcher实例。
在Launcher构造方法内部，其创建了两个类加载器，
sun.misc.Launcher.ExtClassLoader(扩展类加载器)
sun.misc.Launcher.AppClassLoader(应用类加载器)。创建过程中会把扩展类加载器作为参数传入，最终付费父类加载器属性
引导类加载器BoostClassLoader是C++编写的，所以扩展类加载器的父类是null
JVM默认使用Launcher的getClassLoader()方法返回的类加载器AppClassLoader的实例加载我们的应用程序
垃圾收集
垃圾收集算法
标记复制
内存空间分为两个逻辑空间，非垃圾对象，复制到一片空白区域，然后把原区域全部删除
适合范围
年轻代存活时间一般比较少，所以适合标记复制
具体实现
年轻代 Serial收集器
年轻代Parallel收集器
G1收集器
优点：碎片比较少
缺点，浪费空间
标记清除
标记的是垃圾对象，标记完成后清理掉
适合范围
老年代
具体实现
CMS收集器
缺点
如果垃圾对象很多，效率会降低
清理完后，有很多碎片空间
标记整理
标记存活对象和垃圾对象，把存活对象，按顺序覆盖垃圾对象，没有被覆盖的垃圾对象需要手动清理
适合范围
老年代
具体实现
老年代Serial收集器
老年代Parallel收集器
垃圾收集器
Serial垃圾收集器
分为年轻代和老年代
年轻代 Minor GC：-XX: UseSerialGC
老年代 Full GC：-XX:UseSerialOldGC
串行收集器，单线程执行
Parallel收集器
分为年轻代和老年代
年轻代 Minor GC：-XX: UseParallelGC
老年代 Full GC：-XX:UseParallelOldGC
并行收集器，多线程执行，多核服务器效率比Serial高
JDK8默认使用Parallel收集器
内存较少的时候，比如1-2个G，用Parallel没问题，内存大了会有问题
STW时间比较长，用户体验差
ParNew收集器
和Parallel类似，也是多线程并发，区别在于他可以和CMS配合使用
ParNew收集器负责年轻代收集垃圾，CSM负责老年代
很长一段时间都是使用的这个组合
CMS
只处理老年代
CMS收集器工作原理及步骤
以获取最短回收停顿时间为目标的收集器，非常符合注重用户体验上的应用使用
步骤：
1.初始标记：STW，单线程记录下gc root引用的对象，速度很快
2.并发标记：从gc root关联的对象开始遍历整个对象图的过程，期间用户线程并发运行
3.重新标记：STW，为了修正并发标记期间有变化的对象重新标记，这个阶段比并发标记的时间，采用三色标记里的增量更新算法
4.并发清理：用户线程gc清理线程并行运行，期间产生的新的对象会被标记为黑色，也就是不做处理，会在下次gc中处理
5.并发重置：重置本次GC过程中的标记数据，这个过程会整理空间
三色标记
黑色
表示这个对象已经被垃圾收集器访问过，并且他的所有引用都扫描过了
灰色
表示这个对象已经被垃圾收集器访问过了，但是至少有一个引用没有扫描
白色
表示尚未被垃圾收集器访问过
可能产生的问题：因为用户线程并发运行，所以可能导致已经标记的对象状态发送变化或产生新的对象
缺点：
需要占用cpu资源
会产生浮动垃圾
并发清理期间可能会产生新的对象，并且变为垃圾对象，因为标记过程已经结束，所以这个对象不会在这次清理，会在下次gc清理，这个对象就叫做浮动垃圾
标记清除算法会导致大量碎片空间
通过设置参数实现标记整理
并发失败：在并发标记或并发清理的过程中，如果又有一个大对象，或空间不足了，那么会再次触发Full GC，这时候会进入stw，用serialold收集器收集垃圾
可以通过一些参数避免
三色标记
三色标记产生的问题以及解决方案
浮动垃圾;已经标记过的对象因为方法执行完了，变成垃圾对象，变成了浮动垃圾
解决方案：下次GC会处理
漏标：被引用的对象没有被标记，一般是引用发生变化产生的
解决方案
增量更新
就是在产生新的引用的时候记录下来，在下次扫描
增量更新通过写屏障实现：
可以简单理解为AOP，增量更新是写后操作，SATB是写前操作
记忆集和卡表
用于解决跨代引用导致的扫描效率问题
记忆集：一个集合，标记是否有跨代引用
具体由卡表实现
年轻代使用卡表，每个卡表在老年代都有一个对应的卡页，当有跨代引用的时候，卡表就标记为1，表示需要加入GCroot扫描
老年代使用卡页，每个卡页的大小固定，卡页存放多个对象，当有跨代引用的时候，这个卡页就是dirte card
卡表通过写屏障实现
G1
原始快照SATB
当引用关系被删除的时候，用一个队列存下这个引用，在并发扫描之后重新扫描
不再是物理分代，而是逻辑分代，默认会将内存分为2048个region，每个region都可能是Eden、survivor、old、Humongous,也就是逻辑分代，
当空白区域被分配了年轻代的对象，那么这个区域就是年轻代了，
老年代对象同理
新增了一个Humongous区域，当对象的大小大于region的百分之五十，那么就会将这个区域标记为Humongous，超过region的大小，会使用连续的多个region存储对象
G1收集器工作原理及步骤
工作原理和cms类似，新增可预测停顿时间算法
步骤：
1.初始标记：STW，只标记gc root的应用
2.并发标记：通cms类似
3.最终标记：STW,通cms的重新标记类似
4.筛选回收：首先会对每个region进行评估，对region的回收价值和成本进行排序，根据用户期望的停顿时间(可以用JVM参数 -XX:MaxGCPauseMillis指定)制定回收计划，比如设置最大停顿时间是200ms，筛选回收时间更短，回收空间更大的region优先做回收，累计回收时间接近200ms后，其他region会在下次回收
如果停顿时间设置的很小，那么每次回收的垃圾会很少，最终会累积触发full GC
G1垃圾收集分类
Young GC
当Eden装满的时候，会计算可回收对象所需要的时间，如果接近最大停顿时间，那么久触发Young GC，如果远远小于最大停顿时间，不会触发GC，而是将对象放到新的空白区域，直到新的Eden区域装满之后，再次计算可回收对象所需时间，
MixedGC
老年代的堆占有率达到参数(-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent)设定的值则触发
比如设置的45%，当老年代的占有率达到45%，就会触发MixedGC,也会判断最大停顿时间
Full GC
单线程处理垃圾回收，
触发场景
在MixedGC的时候，没有足够的空间复制老年代的存活对象的时候
最大停顿时间设置的太小，导致大量垃圾积压，最终内存不够，就会触发fullGC
大内存减少使用G1，比如大于8G小于几百G
ZGC
适用于大内存的垃圾收集器，目前很少用于产品环境，
暂时不分代
ZGC逻辑过于复杂，目前还没有实现分代，以后可能会实现
颜色指针:ZGC核心设计之一
在64位系统中，不需要全部64位用于寻址，所以ZGC选择保留42位寻址，在后面4位用于标记颜色
STW(Stop The Word)
大内存推荐使用CMS，但是CMS也需要消耗一些cpu资源，所以需要综合考量
暂停用户线程，专心做每件事，对用户来说可能是突然卡了一下，
垃圾收集器主要负责堆内存的清理，但是不仅是堆内存，其他内存区域也会做清理，比如方法区的类的信息，如果这个类没有引用了，也会清理方法区的类信息
如何选择垃圾收集器
没有特别的要求，可以让jvm自己选择
如果内存小于100M，使用串行收集器
Serial收集器
4G以下可以用parallel，
4-8G可以用ParNew+CMS，
8G以上可以用G1，
几百G以上用ZGC
1.8默认Parallel
1.9默认G1
JVM优化
命令
jmap
jmap -heap <pid>
查看内存使用情况
jmap -dump:format=b,file=<filename>.hprof <pid>
查询堆转存文件
可以导入工具中查看
jmap -histo <pid>
查看类统计信息：
jmap -dump:live,format=txt,file=<filename>.txt <pid>
查看线程堆栈信息
jstack
jstack <pid>
打印所有线程信息
jstack <pid> | grep -A 10 <nid>
查询线程堆栈中的10行
nid可以快速定位
top
top -p <pid>
查询进程的内存情况，找到cpu最高的进程
按H，显示线程的详情
pid是10进制的，需要转化为16进制，用于stack中的nid
jinfo
jinfo -flags <pid>
查看jvm的参数
jinfo -sysprods <pid>
查看java系统参数
jstat
jstat -gc <pid>
最常用的命令，可以评估程序内存的使用以及GC情况
jstat -gc <pid> 1000 10
每秒执行一次，共执行10次
通过观察Eden区的增长情况，预估
远程连接jvisualvm
启动普通的jar 程序的JMX端口配置
java ‐Dcom.sun.management.jmxremote.port=8888 ‐Djava.rmi.server.hostname=192.168.50.60 ‐Dcom.sun.management.jmxremot
e.ssl=false ‐Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=false ‐jar microservice‐eureka‐server.jar
e.ssl=false ‐Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=false ‐jar microservice‐eureka‐server.jar
-Dcom.sun.management.jmxremote.port 为远程机器的JMX端口
-Djava.rmi.server.hostname 为远程机器IP
tomcat的JMX配置
在catalina.sh文件里的最后一个JAVA_OPTS的赋值语句下一行增加如下配置行
JAVA_OPTS="$JAVA_OPTS ‐Dcom.sun.management.jmxremote.port=8888 ‐Djava.rmi.server.hostname=192.168.50.60 ‐Dcom.sun.ma
nagement.jmxremote.ssl=false ‐Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=false"
nagement.jmxremote.ssl=false ‐Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=false"
内存泄露
比如：电商项目中经常使用redis加jvm缓存的方式，如果使用一个hashmap存储数据，但是不考虑数据map的容量问题，就会导致大量老旧数据占用大量内存，导致频繁的full gc
成熟的JVM级缓存框架来解决，比如ehcache等自带一些LRU数据淘汰算法的框架来作为JVM级的缓存。
工具
full gc和young gc的原因可能有：
1、元空间不够导致的多余full gc
2、显示调用System.gc()造成多余的full gc，这种一般线上尽量通过XX:+DisableExplicitGC参数禁用，如果加上了这个JVM启动参数，那
么代码中调用System.gc()没有任何效果
么代码中调用System.gc()没有任何效果
3、老年代空间分配担保机制
jvm内存模型
私有内存空间
栈（又叫线程栈）
每个线程在运行的时候，会在栈内存空间中分配一块内容给线程使用
栈帧：用于描述每个方法在运行时的结构，每个方法在调用的时候会分配一个栈帧空间
局部变量表
局部变量可以看成是一个数组，由下标决定变量的位置
操作数栈
代码运行时，操作数会先压到操作数栈中，下一步才是将这个操作数存入局部变量中
帧数据
动态链接
就是把常量池中的符号引用解析为方法区的代码地址
返回地址
会记录返回到调用方法的那个位置以及其他信息
程序计数器
（JVM）中的一种小型内存区域，它用于指示当前线程正在执行的字节码指令的地址
当优先级更高的线程抢占了cpu资源，程序计数器就可以记录运行到的位置以防重新执行
本地方法栈
调用运行环境的方法，比如c++，会分配这么一块内存栈
共享内存空间
堆:存储对象实例的内存区域
堆的逻辑结构
年轻代：一般分配1/3内存
Eden区，通常分配8/10内存
两个Survivor区：通常分配1/10内存
老年代：一般分配2/3内存
大对象直接进去老年代
大对象只有年轻代的算法使用ParNew和serial收集器可以设置
老年代空间分配担保机制:用历次Minor GC的数据预估是否需要先做一次Full GC，可以减少Full GC 的次数
在Minor之前，会判断之前所有Minor GC的从年轻代到老年代的大小的平均值
如果平均大小比老年代剩余空间大，那么会做一次Full GC 在做Minor GC
如果平均大小比老年代剩余空间小，那么会做一次做Minor GC
堆的GC逻辑
新建对象通常会进入Eden区，除非是大对象会直接进老年代
当Eden存不下的时候，会发生一次minor GC
把非垃圾对象转到S0中，清理整个Eden区域
下次Minor Gc的时候，Eden和S0中的非垃圾对象转到S1中，然后清理Eden和S0
对象回收机制
引用计数算法
对象引用一次计数加1，取消引用的时候计数减1，当计数为0的时候就可以回收了
存在的问题，当两个对象互相引用的时候，这两个对象本身的引用取消的时候，因为互相引用没有取消，计数不为0，所以无法回收
可达性分析算法
将GC Root对象作为起点，向下搜索标记对象，没有被标记的对象，就是垃圾对象
引用类型
强引用
就是普通的变量引用，public static User user = new User();
软引用
软引用就是用SoftReference封装的对象，public static SoftReference<User> user = new SoftReference<User>(new User());
一般用于缓存某些对象，方便快速使用，也就是可以释放的对象，
比如：Spring Cache 模块中的 SimpleCacheManager 类
弱引用
不常用，会直接被GC 回收
如何判断一个类是无用的类
类需要同时满足下面3个条件才能算是 “无用的类”
该类所有的实例都已经被回收，也就是 Java 堆中不存在该类的任何实例。
加载该类的 ClassLoader 已经被回收。
该类对应的 java.lang.Class 对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。
方法区
常量池、静态变量、类信息
jvm其他组件
字节码执行器：两个作用
执行字节码指令
修改程序计数器的值
类装载子系统
对象加载过程
1.类加载检查：检查类是否被加载过
2.没有就加载类，有就跳过这个步骤
3.分配内存
4.初始化：设置初始值
5.设置对象头
6.执行init方法：这里就是初始化程序员赋的值
包含信息
Mark Word：运行时数据
hash值
GC分代年龄
锁状态标志
Kclass Pointer类型指针，指向方法区类元素的信息
数组长度：如果是数组还有数组长度
两个优化
对齐填充：不足8位自动补齐
计算机内部按照8位检索会很快，所以不足8的倍数位的时候，会自动补齐，加快检索速度
指针压缩：压缩指针减少存储需求的空间
JDK1.6开始有指针压缩，减少每个对象占用的内存，就是为了节约空间
划分内存的方法
指针碰撞：有序的内存空间中，有一个标记，标记这个位置后面是可分配的内存空间
空闲列表：jvm维护了一个列表，记录所有的空闲内存位置，方便分配
如何解决并发问题
CSA：失败重试机制，当多个线程争抢相同位置的内存，失败的会重新尝试
TLAB:每个线程分配一个单独的内存空间，
jvm会先对对象做逃逸分析，如果发现对象不会逃逸，那么久可以把对象分配到栈空间，这样可以减少GC，提高性能
逃逸分析：分析对象的作用域，如果不会逃出当前方法或线程范围，那么就是非逃逸对象
标量替换：栈空间很小，如果栈帧剩余空间是碎片化的，jvm会把对象拆分成散的数据，分出到这些碎片空间中，比如一个成员变量放一个碎片中
标量：就是不可被进一步分解的量，比如int、long等基本类型以及reference类型
聚合量：就是对象，可以被进一步分解成多个标量
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