面试题006-Java-JVM(下)

题目自测

• 1. 为什么需要GC？
• 2. 有哪些常见的GC？
• 3. Minor GC 和 Full GC有什么区别？
• 4. 如何判断一个对象是否死亡？
• 5. 讲一下可达性分析算法的流程？
• 6. 如何判断一个常量是废弃常量? 如何判断一个类是无用的类?
• 7. 垃圾收集有哪些算法，各自的特点？
• 8. 默认的垃圾回收器是哪一个？
• 9. 说一下G1垃圾收集器的步骤，有什么缺点？
• 10. 什么是类加载？何时类加载？类加载流程？
• 11. 知道哪些类加载器？类加载器之间的关系？

题目答案

1. 为什么需要GC？

答：垃圾收集器通过自动内存管理，解决了手动管理内存时常见的问题(如内存泄漏和野指针)等，通过自动回收不在使用的对象、整理内存碎片等，极大的提升了程序的稳定性和开发效率。使得程序员可以专注业务逻辑的处理，而不必担心复杂的内存管理等问题。需要GC的主要原因如下

• 防止内存泄漏：内存泄漏是指程序在运行过程中，未正确释放不再使用的内存，导致系统内存逐渐减少，最终可能导致系统崩溃。
• 提高开发效率：GC自动化了内存管理，使得程序员可以更加专注业务逻辑的实现，不需要担心复杂的内存管理逻辑，从而提高了代码的开发效率和可维护性。
• 优化内存使用：GC会定期扫描堆内存，回收不再使用的对象所占的内存，释放系统资源，从而优化内存的使用。
• 提高程序稳定性：通过自动回收不再使用的对象，GC可以有效地防止内存耗尽，从而提高程序的稳定性和可用性。

2. 有哪些常见的GC？

答：垃圾收集器是实现垃圾回收操作的具体机制。常见的垃圾收集器有：

• Serial GC：
  • 单线程的垃圾收集器，工作时会暂停所有的应用线程。
  • 适用于单处理器机器或者小型应用程序，堆内存较小的情况下效果较好。
  • 启动参数：-XX:+UseSerialGC
• Parallel GC：
  • 多线程的垃圾收集器，可以利用多核处理器进行并行垃圾收集，提高吞吐量。JDK8的默认收集器。
  • 适用于多处理器机器和对响应时间要求不高的应用，目标是最大化应用程序的吞吐量。
  • 启动参数：-XX:+UseParallelGC 或者 -XX:+UseParallelOldGC。
• CMS GC：
  • 低停顿的垃圾收集器，使用并发标记-清除算法，尽量减少垃圾收集导致的应用停顿时间。
  • 用于对响应时间要求高的应用程序，特别是需要大堆内存且停顿时间敏感的服务，如Web服务器。
  • 启动参数：-XX:+UseConcMarkSweepGC。
• G1 GC：
  • 向服务器应用的垃圾收集器，采用分区算法，将堆划分为多个独立区域，优先回收垃圾最多的区域，能够提供更可预测的停顿时间。JDK9之后的默认收集器。
  • 适用于大堆内存、高吞吐量和低停顿时间要求的应用，是CMS GC的替代者。
  • 启动参数：-XX:+UseG1GC
• ZGC：
  • 可扩展的低停顿垃圾收集器，设计目标是在拥有非常大的堆（TB级别）时，仍然能保持极低的停顿时间（通常在几毫秒以内）。
  • 适用于需要处理非常大堆内存且对停顿时间要求极高的应用。
  • 启动参数：-XX:+UseZGC

3. Minor GC 和 Full GC有什么区别？

答：Minor GC 和 Full GC是两种不同的垃圾收集操作，他们主要的区别是执行范围和触发条件。

• Minor GC：
  • 作用范围：Minor GC 主要在新生代进行垃圾回收，新生代包括Eden区和两个Survivor区。
  • 触发条件：当新生代Eden区空间满时，会触发Minor GC。Eden区中的对象会被回收或复制到Survivor区。
  • 系统影响：Minor GC执行速度快，停顿时间短，对系统影响小。
• Full GC：
  • 作用范围：Full GC 会回收整个堆、包括新生代和老年代，以及方法区或者元空间。
  • 触发条件：老年代空间不足、调用System.gc()方法、永久代/元空间内存不足、特定的JVM行为或调优参数配置也可能触发Full GC。
  • 系统影响：因为要清理整个堆的内存，开销较大，停顿时间长，对系统影响较大，需要避免频繁的Full GC。

4. 如何判断一个对象是否死亡？

答：如果一个对象不被任何变量或对象引用，那么它就是无效对象，需要被垃圾回收器回收。主要依据两种方式：引用计数法和可达性分析算法。

• 引用计数法：
  • 在对象头维护着一个counter计数器，对象被引用一次计数器就加1，引用失效计数器减1。当计数器为0时就认为该对象死亡了。
  • 这个方法实现简单，效率高。但无法解决循环引用问题，容易导致内存泄漏。
• 可达性分析算法：
  • 这是Java中实际采用的方法判断对象是否可以被回收。它的基本思想是通过一系列称为"GC Roots"的对象作为根节点，向下搜索。节点走过的所有路径称为引用链，当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连的话，则证明该对象不可活，需要被回收。

5. 讲一下可达性分析算法的流程？

答：可达性分析算法是现代JVM中用来判断对象是否存活的主要方法。该算法通过从一组被称为“GC Roots”的根对象出发，沿着这些对象引用链，找到所有可达对象。那些不可达的对象会被认为是垃圾，可以被回收。

1. 确定 GC Roots：首先需要确定一系列称为“GC Rooos”的对象集合。这些对象包括
   • 虚拟机栈(栈帧中本地变量表)中引用的对象。
   • 本地方法栈(Native方法)中引用的对象。
   • 方法区中类静态属性引用的对象。
   • 方法区中常量引用的对象。
   • 被同步锁持有的对象。
2. 从根节点开始搜索：从GC Roots开始，JVM会通过深度优先搜索(DFS)或广度优先搜索(BFS)，搜索过程中能被根节点引用的对象被认为是可达的，不会被回收。
3. 标记不可达对象：搜索结束后，没有被搜索到的对象，被认为是不可达的。对这些不可达的对象进行标记。
4. 二次标记与清理：在此阶段，JVM会进行筛选，判断这个对象是否有必要执行finalize()方法。如果没必要那么对象就会被直接回收。如果有必要执行finalize()，那么对象会被放入一个F-Queue队列中，等待后续处理。finalize()方法执行后，JVM会进行第二次可达性分析，如果对象仍然不可达，那么它将被彻底回收。

6. 如何判断一个常量是废弃常量? 如何判断一个类是无用的类?

答：

• 判断废弃常量：如果常量池中的常量没有被任何对象和变量引用，就会被判断为废弃常量。如一个字符串"abc"进入了常量池，系统中没有任何的String对象引用这个常量，也没有其他地方引用这个字面量，那么"abc"会被清除出常量池。
• 判断无用类：判断无用类的条件比较严格，要满足下面三个条件才会被认为是无用类
  • 该类的所有对象都已经被清除，也就是堆中没有任何该对象的信息。
  • 加载该类的ClassLoader已经被回收。
  • 该类的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。

7. 垃圾收集有哪些算法，各自的特点？

答：垃圾收集算法用于自动管理和回收不再使用的内存空间。常见的垃圾回收算法有：

• 标记-清除算法：首先遍历标记出所有不需要回收的对象，然后遍历堆中的对象，将标记的对象清除。
  • 特点：优点是简单，能有效回收无用对象。缺点是标记和清除效率不高，标记清除后会产生大量不连续的内存碎片。
• 复制算法：将内存分成两块相等的区域，每次只使用其中的一块。当这一块使用完后，将还存活的对象复制到另一块。然后再把使用的空间全部清除。
  • 特点：适合新生代，只复制存活对象，速度快，没有内存碎片。但缺点是内存利用率低，只有一半内存空间被使用。
• 标记-整理算法：第一阶段与清除标记算法一样。然后再移动存活对象，按照内存地址依次排序，然后清理掉端边界以外的内存。
  • 特点：适合老年代，解决了内存碎片问题。但是因为需要整理对象，所以效率也不高。
• 分代收集算法：根据对象存活周期的不同，将内存划分为几块。一般Java堆分为新生代和老年代。新生代使用复制算法，老年代使用标记-清除算法、标记-整理算法。

8. 默认的垃圾回收器是哪一个？

答：在Java 8中，默认的垃圾回收器是Parallel GC。Java 9及之后，默认的垃圾回收器说G1 GC。

• Parallel GC：主要追求高吞吐量，适用于需要大量数据处理、批处理或后台任务的应用。它通过多线程并行处理垃圾回收，能够充分利用多核处理器的能力。
• G1 GC：设计目的是减少垃圾回收停顿时间，使其更适合需要低停顿时间的应用程序，例如需要较好响应时间的交互式应用。
• 查看默认的垃圾收集器：

  java -XX:+PrintCommandLineFlags -version
  

9. 说一下G1垃圾收集器的步骤，有什么缺点？

答：G1 是一款面向服务端应用的垃圾收集器，将内存区域分成多个独立的Region。首先估计每个Region中垃圾的数量，每次从垃圾回收价值最大的Region开始回收，因此可以获得最大的回收效率。

G1 GC的步骤如下：

• 初始标记：需要暂停应用线程，然后使用一条线程标记GC Roots直接可达的对象。
• 并发标记：使用一条标记线程和用户线程一起并发执行。在此过程进行可达性分析。
• 最终标记：暂停应用线程，使用多条标记线程，标记在并发标记阶段发生变动的对象。
• 筛选回收：计算每个区域垃圾比例，选择回收价值大的区域，将存活对象复制到新区域，并整理旧区域。

G1收集器的缺点：

• 调优复杂：G1 GC具有许多参数，调优过程复杂，可能需要大量的实验和监控。
• 额外的内存开销：G1需要维护额外的数据结构来跟踪每个区域的状态，这会增加一定的内存开销。
• 处理大对象性能较差：大对象会占用多个连续的区域，如果内存中没有足够连续的空闲区域，就可能导致GC频繁发生。

10. 什么是类加载？何时类加载？类加载流程？

答：类加载是JVM将字节码文件(.class)加载的内存中，并对其进行校验、解析、初始化，最终生成Class对象的过程。
类加载遵循“按需加载”的原则，即类在被首次主动使用时，JVM才会加载它。

• 在遇到 new、putstatic、getstatic、invokestatic 字节码指令时，如果类尚未初始化，则需要先触发其初始化。
• 对类进行反射调用时，如果类还没有初始化，则需要先触发其初始化。
• 初始化一个类时，如果其父类还没有初始化，则需要先初始化父类。
• 虚拟机启动时，需要指定一个包含 main() 方法的主类，虚拟机会先初始化这个主类。
• 当使用 JDK 1.7 的动态语言支持时，如果一个 java.lang.invoke.MethodHandle 实例最后的解析结果为 REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic 的方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类还没初始化，则需要先触发其初始化。

类加载的流程分为5个阶段，分别为加载、验证、准备、解析和初始化。

• 加载：查找并加载类的二进制数据，创建一个代表该类的Class对象。
• 验证：确保类文件的字节码符合JVM规范，没有安全性和稳定性问题。
• 准备：为静态成员变量分配内存，并将其默认为初始化值。
• 解析：将类中的符号引用转换为直接引用。
• 初始化：执行类的静态初始化块和静态变量的初始化代码。

11. 知道哪些类加载器？类加载器之间的关系？

答：类加载器是负责加载类文件的对象，类加载器将字节码文件读取进内存，并将其转换为Class对象。Java中的类加载器体系具有层次结构，各种类加载器之间存在父子关系，遵循双亲委派模型。

• 启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)：最顶层的加载类，由C/C++实现，通常表示为 null，并且没有父级，主要用来加载 JDK 内部的核心类库。
• 扩展类加载器(Extension ClassLoader)：主要负责加载 %JRE_HOME%/lib/ext 目录下的 jar 包和类以及被 java.ext.dirs 系统变量所指定的路径下的所有类
• 应用程序类加载器(Application ClassLoader)：面向我们用户的加载器，负责加载当前应用 classpath 下的所有 jar 包和类。
• 自定义加载器(Custom ClassLoader)：由用户自定义，适用于特殊需求，如加载加密的类文件、从网络加载类等。

类加载器之间的关系：

• 每个类加载器都有一个父类加载器，除了启动类加载器。
• 都遵循双亲委派模型。

参考资料

• JavaGuide
• 牛客网-Java面试宝典
• Java虚拟机底层原理总结
• ChatGPT