后台开发人员面试内容——JVM虚拟机(四)

一、Java类加载机制

类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存，它的整个生命周期包括：加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initiallization）、使用（Using）和卸载（Unloading）这7个阶段。其中验证、准备、解析3个部分统称为连接（Linking），这七个阶段的发生顺序如下图

1.加载Loading：

1）通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。

2）将这个字节流所代表的静态变量、类信息、常量等内容放入到方法区。

3）在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口。

 

2.验证Verification：

目的是确保class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身安全，

验证阶段主要包括四个检验过程：文件格式验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证

 

3.准备Preparation

静态成员的初始化。准备阶段是正式为类变量分配内存并设置其初始值的阶段，这些变量所使用的内存都将在方法区中分配。关于这点，有两个地方注意一下：

1）这时候进行内存分配的仅仅是类变量（被static修饰的变量），而不是实例变量，实例变量将会在对象实例化的时候随着对象一起分配在Java堆中

2）这个阶段赋初始值的变量指的是那些不被final修饰的static变量，比如"public static int value = 123;"，value在准备阶段过后是0而不是123，给value赋值为123的动作将在初始化阶段才进行

 

4.解析Resolution

解析阶段是虚拟机常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。 Java在编译阶段，会将.java文件编译成.class文件，在生成的.class文件中，static修饰的静态变量就是我们常说的符号引用，但是在编译阶段该符号引用并不知道引用类的实际内存地址(虚拟机还没运行)。直到解析阶段，虚拟机加载了该类才能真正解析到具体的内存地址。

 

5.初始化Initialization

初始化阶段做的事就是给static变量赋予用户指定的值以及执行静态代码块

 

二、双亲委派加载

1.类加载器介绍：

从Java开发人员的角度来看，大部分Java程序一般会使用到以下三种系统提供的类加载器：

1)启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：负责加载JAVA_HOME\lib目录中并且能被虚拟机识别的类库到JVM内存中，如果名称不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载。该类加载器无法被Java程序直接引用。

2)扩展类加载器（Extension ClassLoader）：该加载器主要是负责加载JAVA_HOME\lib\，该加载器可以被开发者直接使用。

3)应用程序类加载器（Application ClassLoader）：该类加载器也称为系统类加载器，它负责加载用户类路径（Classpath）上所指定的类库，开发者可以直接使用该类加载器，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。 

4)自定义类加载器(必须继承 ClassLoader)。 

这些类加载器之间的关系如下图所示：

如上图所示的类加载器之间的这种层次关系，就称为类加载器的双亲委派模型（Parent Delegation Model）。该模型要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。子类加载器和父类加载器不是以继承（Inheritance）的关系来实现，而是通过组合（Composition）关系来复用父加载器的代码。

2.双亲委派模型的工作过程为：

如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，每一个层次的加载器都是如此，因此所有的类加载请求都会传给顶层的启动类加载器，只有当父加载器反馈自己无法完成该加载请求（该加载器的搜索范围中没有找到对应的类）时，子加载器才会尝试自己去加载

3.双亲委派模型 的好处：

使用这种模型来组织类加载器之间的关系的好处是Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。例如java.lang.Object类，无论哪个类加载器去加载该类，最终都是由启动类加载器进行加载，因此Object类在程序的各种类加载器环境中都是同一个类。否则的话，如果不使用该模型的话，如果用户自定义一个java.lang.Object类且存放在classpath中，那么系统中将会出现多个Object类，应用程序也会变得很混乱。如果我们自定义一个rt.jar中已有类的同名Java类，会发现JVM可以正常编译，但该类永远无法被加载运行

 

三、JVM运行时数据区

1.堆(Heap)

1)被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建;

2)用来存储对象实例;

3)可以通过-Xmx和-Xms控制堆的大小

4) java堆是垃圾收集器管理的主要区域。java堆还可以细分为：新生代（New/Young）、旧生代/年老代（Old/Tenured）

 

2.方法区(Method Area)

1)被所有线程共享的一块内存区域

2)用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据

 

3.虚拟机栈(VM Stack)

1)线程私有，生命周期与线程相同

2) 存储方法的局部变量表(基本类型、对象引用)、操作数栈、动态链接、方法出口等信息

 

4.本地方法栈(Native Method Stack)

与虚拟机栈相似，主要为虚拟机使用到的Native方法服务，在HotSpot虚拟机中直接把本地方法栈与虚拟机栈二合一

 

5.程序计数器（Program Counter Register）

1）当前线程所执行的字节码的行号指示器

2）当前线程私有

 

四、JVM常见配置

-Xss：每个线程的java虚拟机内存大小

1.堆设置

-Xms:初始堆大小

-Xmx:最大堆大小

-XX:NewSize=n:设置年轻代大小

-XX:NewRatio=n:设置年轻代和年老代的比值。如:为3，表示年轻代与年老代比值为1：3，年轻代占整个年轻代年老代和的1/4

-XX:SurvivorRatio=n:年轻代中Eden区与两个Survivor区的比值。注意Survivor区有两个。如：3，表示Eden：Survivor=3：2，一个Survivor区占整个年轻代的1/5

-XX:MaxPermSize=n:设置持久代大小

2.收集器设置

-XX:+UseSerialGC:设置串行收集器

-XX:+UseParallelGC:设置并行收集器

-XX:+UseParalledlOldGC:设置并行年老代收集器

-XX:+UseConcMarkSweepGC:设置并发收集器

3.垃圾回收统计信息

-XX:+PrintGC

-XX:+PrintGCDetails

-XX:+PrintGCTimeStamps

-Xloggc:filename

4.并行收集器设置

-XX:ParallelGCThreads=n:设置并行收集器收集时使用的CPU数。并行收集线程数。

-XX:MaxGCPauseMillis=n:设置并行收集最大暂停时间

-XX:GCTimeRatio=n:设置垃圾回收时间占程序运行时间的百分比。公式为1/(1+n)

5.并发收集器设置

-XX:+CMSIncrementalMode:设置为增量模式。适用于单CPU情况。

-XX:ParallelGCThreads=n:设置并发收集器年轻代收集方式为并行收集时，使用的CPU数。并行收集线程数

 

五、JVM垃圾回收机制

1.Java中的四种引用类型

1)强引用. 这里的o就是一个强引用，也是我们用得最多的引用，在实例化类的时候经常会用到。遇到这类引用，GC（垃圾回收器）是绝对不会回收它的。当遇到内存不足的情况，JVM会抛出OOM异常。所以，在不使用这类对象的时候要注意释放它，以便让系统回收

Object o = new Object();

2)软引用. 这里的s就是一个软引用，它是用来描述一些有用但非必需的对象。如果一个对象只具有软引用，则内存空间足够，垃圾回收器就不会回收它；如果内存空间不足了，就会回收这些对象的内存

 

SoftReference<String> s = new SoftReference<>(new String("Hello"));

System.out.println(s.get());

3)弱引用。只具有弱引用的对象拥有更短暂的生命周期。在垃圾回收器线程扫描它所管辖的内存区域的过程中，一旦发现了只具有弱引用的对象，不管当前内存空间足够与否，都会回收它的内存

WeakReference<String> w = new WeakReference<>(new String("Hello"));

System.out.println(w.get());

System.gc();

System.out.println(w.get());

4)虚引用。与其他几种引用都不同，虚引用并不会决定对象的生命周期。如果一个对象仅持有虚引用，那么它就和没有任何引用，一样，在任何时候都可能被垃圾回收器回收。 它唯一的作用就是就是用于追踪，让我们能够在这个对象被回收的时候收到一个通知。

ReferenceQueue<String> queue = new ReferenceQueue<>();

PhantomReference<String> pr = new PhantomReference<>(new String("Hello"), queue);

System.out.println(pr.get());

 

2.如何判断对象需要被回收

1）引用计数法。 在对象内部会有一个引用计数器，一旦某个地方引用它时，计数器就加1。 计数器表示的是对象的人气指数，也就是有多少程序引用了这个对象（被引用数）。下图是引用计数法中的对象。

、

2）可达性分析法。 所谓可达性分析就是通过一系列被称为“GC Roots”的点作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索的路径称为引用链，当一个对象到GC Roots不可达的时候，则证明此对象是可回收的

 

3.垃圾回收算法

回收机制——隔代收集法

新生代：

复制法：新生代活跃对象多，先将内存分为两个部分，From区和To区，两部分大小相等。对象分配时，只会在From区进行分配。复制算法可以分两步，第一步为类似标记清除算法的标记，在From区中，找出所有活动的对象。区别在于第二步。复制算法会把这些活动的对象，复制到To区中，再将原有的From区全部清空，并交换两部分内存的职责，即一次GC后，原有的From区会成为To区，To区相反

优点：效率高 、高速分配、不会发生碎片化；GC后的内存空间是连续的。

缺点：堆使用效率低下，把堆二等分， 真正存放新对象的内存区域会变少，只有一半堆能够存放对象

老年代(永久代)：

标记-整理法：分为标记和整理两个阶段： 标记所有从根节点开始的遍历到的存活对象，让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存

标记—清除法：分为标记和清除两个阶段： 标记所有从根节点开始的遍历到的存活对象，在标记完成后，清除所有未被标记的对象

优点：有效利用堆，能够在整个堆中进行操作

缺点：压缩花费时间，清楚和压缩都会搜索堆，浪费时间，没有压缩的话会产生碎片化问题，对象存储不连续。

4.垃圾收集器

 

名称	工作区域	单线程/多线程	垃圾收集算法	描述
Serial收集器	新生代	单线程	复制算法	进行垃圾收集时，必须暂停其他所有的工作线程，直到它收集结束
ParNew收集器 (Serial收集器的多线程版本)	新生代	多线程	复制算法	并行：指多条垃圾收集线程并行工作，但此时用户线程仍然处于等待状态； 并发：指用户线程与垃圾收集线程同时执行
Parallel Scavenge收集器	新生代	多线程	复制算法	吞吐量优先收集器 目标：控制吞吐量
Serial Old收集器	老年代	单线程	标记整理算法	主要意义也是在于给Client模式下的虚拟机使用
Parallel Old收集器	老年代	多线程	标记整理算法	Parallel Old 是Parallel Scavenge收集器的老年代版本 1.6之后，“吞吐量优先“收集器组合：Parallel Scavenge + Parallel Old
CMS收集器	老年代	多线程	标记-清除算法	目标：最短回收停顿时间 优点：并发收集，低停顿 缺点：CPU资源敏感；无法处理浮动垃圾；内存碎片问题

5.内存分配策略

Minor GC 和 Full GC

• Minor GC：回收新生代，因为新生代对象存活时间很短，因此 Minor GC 会频繁执行，执行的速度一般也会比较快。
• Full GC：回收老年代和新生代，老年代对象其存活时间长，因此 Full GC 很少执行，执行速度会比 Minor GC 慢很多

1）对象优先在Eden上分配，当Eden上内存不够时，发起Minor GC

2）大对象和长期存活的对象进入老年代

3)  长期存活的对象将进入老年代

3）调用System.gc()时，建议虚拟机执行Full GC，老年代空间不足也会执行Full GC