JVM面试突击

参考

• https://www.freesion.com/article/42891183904/

内存结构

• https://blog.youkuaiyun.com/aajjw/article/details/115672226
  
  
  
• TLAB(Thread Local Allocation Buffer)线程本地分配缓冲区：
  • 如果是共享空间（堆上的其他区域）分配空间必须要有同步机制，
  • TLAB是给本线程在堆空间上开辟出一块独享区域，因此无需同步
  • TLAB空间中无法分配的对象，JVM会尝试在Eden空间中进行分配。如果Eden空间无法容纳该对象，就只能在老年代中进行分配空间。

垃圾收集器

• 内存分配的方式
  • 碰撞指针
  • 空闲列表
• 垃圾收集器处理回收的是堆内存和方法区的内存
• 如何判断对象存活
  • 引用计数法
  • 可达性算法
    • GC Roots
      • 栈，本地方法栈中引用的对象
      • 方法区中引用，如类静态属性引用的对象，常量池引用
      • JVM内部的引用
        • 基本数据类型对应的Class对象，
        • 常驻对象：异常类
        • 同步锁持有的对象
        • 代码缓存
• 常用垃圾回收的算法
  • 标记-清除
  • 复制
  • 标记-整理
  • 分代思想

分代算法与GC过程

• 分代
  
• GC过程
  
• 堆内存管理-对象内存空间分配与转移
  • 对象优先在Eden分配
  • 大对象直接分配到Old
  • 长期存活进入Old
    • Eden，S0，S1，from to。过程如下
    • 年龄大于15进入Old，也可以提前
    • 空间分配担保
      • Old区域连续空间大于新生代所有对象空间 或者 大于历次晋升到老年代对象的平均大小，则进行Minor GC。
      • 否则进行Full GC
• GC日志打印：https://blog.youkuaiyun.com/x763795151/article/details/89981686
  • 使用jvm命令，可以打印GC的信息（GC类型，GC开始时间，CG耗时，GC前后的内存空间统计情况），并可以指定文件
• GC类型：
  • Minor GC：新生代GC，
    • 一般采用复制算法回收垃圾，
    • 一般回收速度也比较快
    • 触发条件
      • eden区满时，触发MinorGC。即申请一个对象时，发现eden区不够用，则触发一次MinorGC。
      • 新创建的对象大小 > Eden所剩空间时触发Minor GC
  • Major GC：老年代GC，
    • 通常执行Major GC会连着Minor GC一起执行
    • Major GC的速度要比Minor GC慢的多
    • 可采用标记清楚法和标记整理法
  • Full GC：整个堆空间
    • 触发情况和Major GC相似
      1. 每次晋升到老年代的对象平均大小>老年代剩余空间
      2. MinorGC后存活的对象超过了老年代剩余空间
      3. 永久代空间不足
      4. 执行System.gc()
      5. CMS GC异常
      6. 堆内存分配很大的对象

机制

• STW：stop the world
• OopMap：对象表，记录了内存中哪些位置是引用
• 安全点：不是所有的指令都记录Oop，而是在“需要长时间执行的指令处”记录Oop，如：方法调用，循环跳转，异常跳转等。
• 主动式抢占：GC需要中断时，设置标记，线程执行时主动轮询标记，如果是真就挂起。主动轮询的时点和记录Oop的时机重合并多一个创建对象分配内存时。
• 安全区：
  • 以上机制在线程是运行状态是可以完美运行的。但是如果线程挂起，就不能了。
  • 安全区：在这个区域内，引用关系不发生改变
    • 线程进入安全区时，标识自己进入了安全区。
    • GC时不用管在安全区内的线程，因为引用状态不发生改变。
    • 线程离开安全区时，检查是否完成根节点枚举，如果完成就可以继续执行，否则等待GC完成根节点枚举。

垃圾收集器类型

• CMS
  
  • 目标：最短回收停顿时间为目标的收集器
  • 过程：
    • 初始标记（CMS initial mark）：需要Stop The World，标记GC Roots能直接关联到的对象，速度很快
    • 并发标记（CMS concurrent mark）：耗时长，但是可以和用户线程并发
    • 重新标记（CMS remark）：需要Stop The World，标记并发标记期间变动的对象，时间较短
    • 并发清除（CMS concurrent sweep）：不需要移动对象，可以并发
  • 缺点：
    • 阈值不好确定
      • 因为GC过程中可能产生新的垃圾，因而不能老年区满了再收集
      • 阈值小，浪费空间，频繁GC
      • 阈值大，回收失败就用单线程的垃圾收集器兜底，慢。
    • 标记清除算法，内存碎片。可以配置参数，每几次Full GC后的Full GC先整理碎片。
    • 核心数少时，应用性能降低很厉害。
• G1
  
  • 参考
    • https://www.cnblogs.com/sidesky/p/10797382.html
    • https://www.cnblogs.com/aspirant/p/8663872.html
  • 目标：停顿时间模型。不是完全低延时，而是延时可控下的最高吞吐，因此是全功能。
  • 特点：
    • 每次根据用户设定允许的收集停顿时间，默认值是200毫秒，优先处理回收价值收益最大的那些Region
    • 分块+分区：
      
      • Humongous与大对象：当新建对象大小超过Region大小一半时，直接在新的一个或多个连续Region中分配，并标记为H。
    • 回收算法：整体是标记-整理。局部是标记-复制。不产生碎片
    • 全年龄段收集
  • 实现：
    • 跨块引用：记忆集中存双向指针，因此（垃圾收集器本身）内存占用高，经验值10%-20%堆空间
    • 分块监控，获取预期值。算法：衰减均值
  • GC模式：
    • young gc：
      • 触发：Eden空间耗尽
      • 回收对象：新生代
      • 回收方式：
        • 因为复制对象，所以stop the world
        • 逻辑上参考分代算法
          • Eden->Survivor
          • Eden->Old
          • Survivor->Survivor
          • Survivor->Eden
        • 物理上是通过标记复制完成
          
    • mixed gc
      • 回收对象：新生代和部分老年代
      • 过程
        • 初始标记（Initial Marking）
        • 并发标记（Concurrent Marking）
        • 最终标记（Final Marking）
        • 筛选回收（Live Data Counting and Evacuation）：
          • 更新Region的统计数据，根据用户期望和统计数据制定回收计划
          • 并发处理：块间复制，涉及对象移动，必须暂停线程
    • G1命令优化参考：https://www.cnblogs.com/aspirant/p/8663872.html
• ZGC
• 选择
  • JDK版本新：ZGC，至少JDK11，性能优秀，特别是延时方面
  • JDK版本老：
    • CMS：4GB到6GB以下的堆内存
    • G1：更大的内存

内存模型

• 并发编程的三个概念
• 多核CPU：
  • 多核CPU中，每个核的自己的缓存中，关于同一个数据的缓存内容可能不一致
• 解决方式
  • 锁总线：效率低
  • 缓存一致性协议：效率高，单各家CPU的协议不一样
• JMM将不同（CPU）平台的内存模型统一
  • 逻辑模型和操作
    • 主内存，每个线程都有自己的工作内存
    • 8种操作及基本规则
  • JMM主要规定了一个线程对共享变量的写入何时对其他线程是可见的
• 通过三大特性对比volatile，synchronized和final
  • 原子性：对于基本数据类型的读取和赋值操作都是原子性操作
  • 可见性：一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即得知这个修改
    • volatile：通过添加lock指令实现可见性
      * lock指令在多核的情况下会做两件事：
      * 将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存
      * 写回内存的操作会使其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效
    • synchronized
      • 当线程获取锁时会从主内存中获取共享变量的最新值
      • 释放锁的时候会将共享变量同步到主存中
    • final
      • 被final关键字修饰的字段在构造器中一旦初始化完成
      • 并且没有发生this逃逸（其他线程通过this引用访问到初始化了一半的对象）
      • 那么其他线程就能看见final字段的值
  • 有序性：在本线程内观察，所有操作都是有序的。在一个线程观察另一个线程，所有操作都是无序的
    • 允许编译器和处理器对指令进行重排序，重排序的过程不会影响到单线程程序的执行
    • 无序是因为发生了指令重排序和工作内存与主内存同步延迟
      • 指令重排序
        • as-if-serial：不管怎么进行重排序，单线程程序的执行结果不能被改变。
        • happens-before：先行发生原则
        • 不违背两个原则，爱怎么排序就怎么排序
    • volatile关键字通过添加内存屏障的方式来禁止指令重排，即重排序时不能把后面的指令放到内存屏障之前
      • 内存屏障的4种类，在每家CPU上情况可能不同
    • synchronized关键字同样可以保证有序性，它保证每个时刻只有一个线程执行同步代码，相当于是让线程顺序执行同步代码
• 有用的事例
  • 读取和赋值操作是原子的，但是运算操作不是
• volatile正确使用：https://zhuanlan.zhihu.com/p/112742540
  • 状态标记立刻被感知
    • 多线程下，不加volatile，状态标记的改变不被其他线程看到
  • 一改多读
  • 原则
    • 对变量的写操作不依赖于当前值
    • 该变量没有包含在具有其他变量的不变式中。

synchronized机制

java工具及命令

• 命令行工具
  
• 图形化工具
  • jvisualvm：
    • 图形化监控，可以远程，但是需要应用打开对应端口
    • 插件丰富
      • Buffer Pools：可以看直接内存大小
  • arthas
    • 监控内容丰富
      • dashboard：线程信息，内存情况（包括直接内存）
      • 获取反编译文件，确认线上代码版本
      • watch：查看方法的调用：https://www.cnblogs.com/alisystemsoftware/p/13087196.html
      • 使用Instrument代码热替换
        • JVMTI，JVM层级的接口，

Java 动态字节码

• 动态生成字节码ASM等，但无法做到替换
• Instrument
• BTrace

常见JVM内存问题的定位

• 事前配置
  • 异常日志记录，主要是OOM这类，通常和应用日志一起记录
  • 指定jvm参数，在OOM时，转存dump文件，方便定位内存泄露的问题
  • GC日志记录，方便还原GC过程。
    • 参考：https://blog.youkuaiyun.com/x763795151/article/details/89981686
    • 使用jvm启动参数，可以打印GC的信息（GC类型，GC开始时间，CG耗时，GC前后的内存空间统计情况），并可以指定文件
  • 监控，如arthas，或者监控平台
• 常见问题
  • OOM
    • 先分析异常信息，哪个内存区域的内存溢出
    • 堆内存一般要分析dump文件
    • 比如，线上hibernate级联查询
  • 监控显示内存占用大，但堆内存空间不大
    • 查看jvm启动参数，是否配置了其他内存空间大小，针对没配置大小的一一排查，
      • 优先排查直接内存，因为直接内存默认和堆内存一样大
    • 通常是堆外内存
      • 直接内存，如NIO
      • 元空间中的类信息，如使用字节码技术大量生成类（如：cglib动态代理）
  • 应用进程被杀死，但是没有dump文件
    • 没有dump文件，证明没有OOM
    • 极有可能是Linux OOM killer，查linux的messages日志，确认是否是Linux OOM killer

JVM调优

• 主要是选择垃圾收集器，配置垃圾收集器参数
• 经验：
  • 堆内存大小最大最小一致，避免内存缩扩容
  • 调整年轻代和老年代比例
    • 根据应用特点
    • 根据GC日志