1. JVM组成

1.1 JVM由那些部分组成，运行流程是什么？

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JVM是什么
Java Virtual Machine Java程序的运行环境（java二进制字节码的运行环境）

• 一次编写，到处运行
• 自动内存管理，垃圾回收机制

从图中可以看出 JVM 的主要组成部分

• ClassLoader（类加载器）
• Runtime Data Area（运行时数据区，内存分区）
• Execution Engine（执行引擎）
• Native Method Library（本地库接口）

运行流程：

1. 类加载器（ClassLoader）把Java代码转换为字节码
2. 运行时数据区（Runtime Data Area）把字节码加载到内存中，而字节码文件只是JVM的一套指令集规范，并不能直接交给底层系统去执行，而是有执行引擎运行
3. 执行引擎（Execution Engine）将字节码翻译为底层系统指令，再交由CPU执行去执行，此时需要调用其他语言的本地库接口（Native Method Library）来实现整个程序的功能。

1.2 什么是程序计数器？

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程序计数器（PC Register）：线程私有的，内部保存的字节码的行号。用于记录正在执行的字节码指令的地址。
javap -verbose xx.class 打印堆栈大小，局部变量的数量和方法的参数。

1.3 你能给我详细的介绍Java堆吗?

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线程共享的区域：Java堆 (Heap) 是Java虛拟机中内存管理的一个重要区域，主要用于存放对象实例和数组。当堆中没有内存空间可分配给实例，也无法再扩展时，则抛出OutOfMemoryError异常。

• 新生代(Young Generation)：新生代分为Eden Space和Survivor Space。在Eden Space中，大多数新创建的对象首先存放在这里。Eden区相对较小，当Eden区满时，会触发一次 Minor GC(新生代垃圾回收)。在Survivor Spaces中，通常分为两个相等大小的区域，称为 S0(Survivor 0) 和 S1(Survivor1)。在每次Minor GC后，存活下来的对象会被移动到其中一个Sunvivor空间，以继续它们的生命周期。
• 老年代(Old Generation/Tenured Generation)：存放过一次或多次Minor GC仍存活的对象会被移动到老年代。老年代中的对象生命周期较长，因此Major Gc(也称为Ful GC，涉及老年代的垃圾回收)发生的频率相对较低，但其执行时间通常比Minor Gc长。老年代的空间通常比新生代大，以存储更多的长期存活对象。
• 元空间保存的类信息、静态变量、常量、编译后的代码。

为了避免方法区出现OOM，所以在java8中将堆上的方法区【永久代】给移动到了本地内存上，重新开辟了一块空间，叫做元空间。那么现在就可以避免掉OOM的出现了。

1.4 Java 虚拟机栈

与程序计数器一样，Java 虚拟机栈（后文简称栈）也是线程私有的，它的生命周期和线程相同，随着线程的创建而创建，随着线程的死亡而死亡。

1.4.1 Java Virtual machine Stacks (java 虚拟机栈)

• 每个线程运行时所需要的内存，称为虚拟机栈，先进后出。
• 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。每一次方法调用都会有一个对应的栈帧被压入栈中，每一个方法调用结束后，都会有一个栈帧被弹出。
• 每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的那个方法

1.4.2 栈和堆的区别

• 在JVM内存模型中，栈(Stack)主要用于管理线程的局部变量和方法调用的上下文，而堆(Heap)则是
  用于存储所有类的实例和数组。堆会GC垃圾回收，而栈不会。
• 栈内存是线程私有的，而堆内存是线程共有的。
• 两者异常错误不同，但如果栈内存或者堆内存不足都会抛出异常
  • 栈空间不足: java.lang.StackOverFlowError。
  • 堆空间不足: java.lang.OutOfMemoryError。

1.4.3 垃圾回收是否涉及栈内存？

垃圾回收主要指就是堆内存，当栈帧弹栈以后，内存就会释放。

1.4.4 栈内存分配越大越好吗？

未必，默认的栈内存通常为1024k。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。

1.4.5 方法内的局部变量是否线程安全？

• 如果方法内局部变量没有逃离方法的作用范围，它是线程安全的
• 如果是局部变量引用了对象，并逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全

1.4.6 栈内存溢出情况

• 栈帧过多导致栈内存溢出，典型问题：递归调用
• 栈帧过大导致栈内存溢出（不容易出现）

1.5 能不能解释一下方法区？

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1.5.1 概述

• 方法区(Method Area)是各个线程共享的内存区域
• 主要存储类的信息、运行时常量池
• 虚拟机启动的时候创建，关闭虚拟机时释放
• 如果方法区域中的内存无法满足分配请求，则会抛出OutOfMemoryError: Metaspace

1.5.2 运行时常量池

• 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类名、方法名、参数类型、字面量等信息
• 常量池是 *.class 文件中的，当该类被加载，它的常量池信息就会放入运行时常量池，并把里面的符号地址变为真实地址
  

1.5.3 方法区中的方法的执行过程?

当程序中通过对象或类直接调用某个方法时，主要包括以下几个步骤:

• 解析方法调用：JVM会根据方法的符号引用找到实际的方法地址
• 栈帧创建：在调用一个方法前，JVM会在当前线程的Java虚拟机栈中为该方法分配一个新的栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。
  执行方法：执行方法内的字节码指令，涉及的操作可能包括局部变量的读写、操作数栈的操作、跳转控制、对象创建、方法调用等。
  返回处理：方法执行完毕后，可能会返回一个结果给调用者，并清理当前栈帧，恢复调用者的执行环境。

1.6 你听过直接内存吗？

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• 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，分配回收成本较高，但读写性能高，不受 JVM 内存回收管理

2. 类加载器

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2.1 什么是类加载器

JVM只会运行二进制文件，而类加载器（ClassLoader）的主要作用就是将字节码文件加载到JVM中，从而让Java程序能够启动起来。

2.2 类加载器种类

类加载器根据各自加载范围的不同，划分为四种类加载器：

• 启动类加载器(BootStrap ClassLoader)：该类并不继承ClassLoader类，其是由C++编写实现。负责加载Java的核心库（如JAVA_HOME/jre/lib目录下的类库）。
• 扩展类加载器(ExtClassLoader)：该类是ClassLoader的子类，主要加载JAVA_HOME/jre/lib/ext目录中的类库。
• 应用类加载器(AppClassLoader)：该类是ClassLoader的子类，主要用于加载classPath下的类，也就是加载开发者自己编写的Java类。
• 自定义类加载器：开发者自定义类继承ClassLoader，实现自定义类加载规则。

2.3 什么是双亲委派模型？

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如果一个类加载器在接到加载类的请求时，它首先不会自己尝试去加载这个类，而是把这个请求任务委托给父类加载器去完成，依次递归，如果父类加载器可以完成类加载任务，就返回成功；只有父类加载器无法完成此加载任务时，才由下一级去加载。

2.4 JVM为什么采用双亲委派机制（作用）

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1. 保证类的唯一性：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，保证唯一性。
2. 保证安全性：为了安全，保证类库API不会被修改。例如，恶意代码无法自定义一个Java.lang.System类并加载到IM中，因为这个请求会被委托给启动类加载器，而启动类加载器只会加载标准的Java库中的类。

2.5 说一下类装载的执行过程

1. 加载：查找和导入class文件
   • 通过类的全名，获取类的二进制数据流。
   • 解析类的二进制数据流为方法区内的数据结构（Java类模型）
   • 创建java.lang.Class类的实例，表示该类型。作为方法区这个类的各种数据的访问入口
2. 验证：保证加载类的准确性
   • 格式检查：文件格式是否错误、语法是否错误、字节码是否合规
     • 文件格式验证
     • 元数据验证
     • 字节码验证
   • 符号引用验证：Class文件在其常量池中通过字符串记录自己将要使用的其它类或者方法，检查它们是否存在
3. 准备：为类变量分配内存并设置类变量初始值
   • static变量，分配空间在准备阶段完成（设置默认值），赋值在初始化阶段完成
   • static变量是final的基本类型，以及字符串常量，值已确定，赋值在准备阶段完成
   • static变量是final的引用类型，那么赋值也会在初始化阶段完成
4. 解析：把类中的符号引用转换为直接引用
   • 比如：方法中调用了其他方法，方法名可以理解为符号引用，而直接引用就是使用指针直接指向方法。
5. 初始化：对类的静态变量，静态代码块执行初始化操作
   • 如果初始化一个类的时候，其父类尚未初始化，则优先初始化其父类。
   • 如果同时包含多个静态变量和静态代码块，则按照自上而下的顺序依次执行。
6. 使用：JVM 从入口方法开始执行用户的程序代码
   • 调用静态类成员信息（比如：静态字段、静态方法）
   • 使用new关键字为其创建对象实例
7. 卸载：当用户程序代码执行完毕后，JVM 便开始销毁创建的 Class 对象
   • 最后负责运行的 JVM 也退出内存

3. 垃圾回收

垃圾回收(Garbage Collection,Gc)是自动管理内存的一种机制，它负责自动释放不再被程序引用的对象所占用的内存，这种机制减少了内存泄漏和内存管理错误的可能性。

3.1 对象什么时候可以被垃圾器回收

如果一个或多个对象没有任何的引用指向它了，那么这个对象现在就是垃圾，如果定位了垃圾，则有可能会被垃圾回收器回收。

如果要定位什么是垃圾，有两种方式来确定，第一个是引用计数法，第二个是可达性分析算法。

• 引用计数
  • 原理: 为每个对象分配一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器加1;当引用失效时，计数器减1。当计数器为0时，表示对象不再被任何变量引用，可以被回收。
  • 缺点: 不能解决循环引用的问题，即两个对象相互引用，但不再被其他任何对象引用，这时引用计数器不会为0，导致对象无法被回收。
• 可达性分析算法
  • 原理: 从一组称为GC Roots(垃圾收集根)的对象出发，向下追溯它们引用的对象，以及这些对象用的其他对象，以此类推。如果一个对象到GC Roots没有任何引用链相连(即从GC Roots到这个对不可达)，那么这个对象就被认为是不可达的，可以被回收。
  • GC Roots对象包括: 虚拟机栈(栈帧的本地变量表)中引用的对象、方法区中类静态属性引用的对象、本地方法栈中JNI (Java Native Interface)引用的对象、活跃线程的引用等。

3.2 VM 垃圾回收算法有哪些？

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3.2.1 标记清除算法

标记清除算法，是将垃圾回收分为2个阶段，分别是标记和清除。

1. 根据可达性分析算法得出的垃圾进行标记
2. 对这些标记为可回收的内容进行垃圾回收

标记清除算法也是有缺点的：通过标记清除算法清理出来的内存，碎片化较为严重，因为被回收的对象可能存在于内存的各个角落，所以清理出来的内存是不连贯的。

3.2.2 标记整理算法

标记压缩算法是在标记清除算法的基础之上，做了优化改进的算法。和标记清除算法一样，也是从根节点开始，对对象的引用进行标记，在清理阶段，并不是简单的直接清理可回收对象，而是将存活对象都向内存另一端移动，然后清理边界以外的垃圾，从而解决了碎片化的问题。

优缺点同标记清除算法，解决了标记清除算法的碎片化的问题，同时，标记压缩算法多了一步，对象移动内存位置的步骤，其效率也有有一定的影响。

3.2.3 复制算法

将原有的内存空间一分为二，每次只用其中的一块，在垃圾回收时，将正在使用的对象复制到另一个内存空间中，然后将该内存空间清空，交换两个内存的角色，完成垃圾的回收。
如果内存中的垃圾对象较多，需要复制的对象就较少，这种情况下适合使用该方式并且效率比较高，反之，则不适合。 缺点：内存利用率不足。

3.3 分代回收算法

堆被分为了两份：新生代和老年代【1：2】

分代回收是将内存划分成了新生代和老年代。分配的依据是对象的生存周期，或者说经历过的 GC 次数。对象创建时，一般在新生代申请内存，当经历一次 GC之后如果对还存活，那么对象的年龄 +1。当年龄超过一定值(默认是 15)后，如果对象还存活，那么该对象会进入老年代。

MinorGC、 Mixed GC 、 FullGC的区别是什么

• MinorGC【young GC】
  • 发生在新生代的垃圾回收
  • 当 Eden 区空间不足时，JVM 触发依次Minor GC，将Eden区和一个Survivor区中的存活对象移动到另一个Survivor区或老年区。
  • 频率高，暂停时间短（STW）
• Mixed GC
  • 新生代 + 老年代部分区域的垃圾回收，G1 收集器特有
• FullGC
  • 新生代 + 老年代完整垃圾回收
  • 暂停时间长（STW），应尽力避免

STW（Stop-The-World）：暂停所有应用程序线程，等待垃圾回收的完成

3.4 说一下 JVM 有哪些垃圾回收器？

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在jvm中，实现了多种垃圾收集器，包括：

• 串行垃圾收集器
• 并行垃圾收集器
• CMS（并发）垃圾收集器
• G1垃圾收集器

3.4.1 串行垃圾收集器

Serial 和 Serial Old 串行垃圾收集器，是指使用单线程进行垃圾回收，堆内存较小，适合个人电脑

• Serial 作用于新生代，采用复制算法
• Serial Old 作用于老年代，采用标记-整理算法
• 垃圾回收时，只有一个线程在工作，并且java应用中的所有线程都要暂停（STW），等待垃圾回收的完成。
• 优点是简单高效

3.4.2 并行垃圾收集器

Parallel New 和 Parallel Old 是一个并行垃圾回收器，JDK8默认使用此垃圾回收器

• Parallel New作用于新生代，采用复制算法
• Parallel Old作用于老年代，采用标记-整理算法
• 垃圾回收时，多个线程在工作，并且java应用中的所有线程都要暂停（STW），等待垃圾回收的完成。

3.4.3 CMS（并发）垃圾收集器

CMS全称 Concurrent Mark Sweep，是一款并发的、使用标记-清除算法的垃圾回收器，该回收器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。

3.4.4 G1垃圾回收器

• 应用于新生代和老年代，在JDK9之后默认使用G1
• 划分成多个区域（弱化了分代的概念），每个区域都可以充当 eden，survivor，old， humongous，其中 humongous 专为大对象准备
• 采用复制算法
• 响应时间与吞吐量兼顾
• 分成三个阶段：新生代回收、并发标记、混合收集
• 如果并发失败（即回收速度赶不上创建新对象速度），会触发 Full GC

3.5 强引用、软引用、弱引用、虚引用的区别？

难易程度：☆☆☆☆
出现频率：☆☆☆

• 强引用: 只要所有 GC Roots 能找到，就不会被回收
• 软引用: 需要配合SoftReference使用，当垃圾多次回收，内存依然不够的时候会回收软引用对象
• 弱引用: 需要配合WeakReference使用，只要进行了垃圾回收，就会把弱引用对象回收
• 虚引用: 必须配合引用队列使用，被引用对象回收时，会将虚引用入队，由 Reference Handler 线程调用虚引用相关方法释放直接内存

4. JVM 实践

4.1 JVM 调优的参数都有哪些？

通常在linux系统下直接加参数启动springboot项目
nohup java -Xms512m -Xmx1024m -jar xxxx.jar --spring.profiles.active=prod &
nohup : 用于在系统后台不挂断地运行命令，退出终端不会影响程序的运行
参数 & ：让命令在后台执行，终端退出后命令仍旧执行。

1）设置堆的初始大小和最大大小，为了防止垃圾收集器在初始大小、最大大小之间收缩堆而产生额外的时间，通常把最大、初始大小设置为相同的值。
-Xms：设置堆的初始化大小
-Xmx：设置堆的最大大小

2）设置虚拟机栈的位置
3）年轻代中 Eden 区和两个 Survivor 区的大小比例
4）设置垃圾回收器

4.2 java内存泄露的排查思路？

第一，可以通过jmap指定打印他的内存快照 dump文件，不过有的情况打印不了，我们会设置vm参数让程序自动生成dump文件
第二，可以通过工具去分析 dump文件，jdk自带的VisualVM就可以分析
第三，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
第四，找到对应的代码，通过阅读上下文的情况，进行修复即可

4.3 服务器CPU持续飙高，你的排查方案与思路？

第一可以使用使用 top 命令查看占用cpu的情况
第二通过top命令查看后，可以查看是哪一个进程占用cpu较高，记录这个 进程id
第三可以通过ps 查看当前进程中的 线程信息，看看哪个线程的cpu占用较高
第四可以jstack命令打印进行的id，找到这个线程，就可以进一步定位问题代码的行号