剑指Offer——JVM 基础知识点储备

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一、前言

应聘后端开发岗位面试过程中，有关JVM的问题必不可少，此篇博文主要梳理有关JVM工作原理、收集器有关内容。

二、java 内存与内存溢出

2.1 JVM 分区及作用

1. 程序计数器（线程私有）
   当前线程执行字节码的信号指示器。（每个线程都会在程序计数器中存储其指令，从而实现线程切换后恢复到正确的执行位置）
2. 虚拟机栈（栈，线程私有）
   每个方法执行（开始到结束就是这个方法的生命周期）都会创建一个栈帧，栈帧存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。

• （栈内存）为虚拟机执行java方法服务：方法被调用时创建栈帧–>局部变量表–>局部变量–>对象引用
• 如果线程请求的栈深度超出了虚拟机所允许的深度，就会出现StackOverFlowError. -Xss规定了栈的最大空间;
• 虚拟机栈可以动态扩展，如果扩展到无法申请到足够的内存，会出现OOM（OutOfMemoryError）

而我们最常用的就是局部变量表，局部变量表包括如下内容：

• 基本数据类型: boolean byte char short int float long double
  注意基本类型的包装类型：Boolean、Byte、Character、Short、Integer、Float、Long、Double
• 对象引用类型：类、接口、数组 （不是对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针）

问题：包装类型是放在栈中么：String Interget（看包装类型是怎么用的：若直接定义则内容在常量池中，若new一个对象则在堆中。）

3. 本地方法栈 。与虚拟机实现的功能非常相似，不同之处在于虚拟机执行java方法（字节码）服务，而本地方法栈执行Native 方法服务（非java方法写的）。

4. java 堆。（线程共享） 虚拟机启动时创建，此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，对象在失去引用，就会被java虚拟机回收。

1. 被所有线程共享，在java虚拟机启动时创建，几乎所有的对象实例都存放到堆中；
2. GC管理的主要区域；
3. 物理上不连续，逻辑上连续，并可以动态扩展，无法扩展时抛出OutOfMemoryError；

5. 方法区（线程共享）（虚拟机把方法区叫做永久代）。
   用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即编译器编译后的代码等数据。

• 注意⚠️：特别注意静态变量static修饰的变量在方法区。

6. 直接内存（了解即可）
   不是虚拟机运行时数据区的一部分。是native函数直接分配的堆外内存，这样避免了java堆和native堆来回复制数据。

三、垃圾收集器与内存分配策略

3.1 jvm垃圾处理方法（标记清除、复制、标记整理）

1. 标记—清除算法

1. 标记阶段：先通过根节点，标记所有从根节点开始的对象，未被标记的视为垃圾对象；
2. 清除阶段：清除所有未被标记的对象。

2. 复制算法
   将原有的内存空间分成两块，每次只使用其中一块，在垃圾回收时，将正在使用的内存中存活对象复制到未使用的内存块中，然后清除正在使用的内存块中所有对象。
3. 标记—整理算法
   若对象存活率比较高，就要进行多次复制，效率比较低。

1. 标记阶段：先通过根节点，标记所有从根节点开始的可达对象，未被标记的视为垃圾对象。
2. 整理阶段：将所有的存活对象压缩到内存的一端（或向一端移动），之后清理边界所有的空间。

5. 分代收集算法
   只是根据对象存活周期的不同将内存划分为几块。一般把java堆分为新生代和老年代。

• 新生代大量对象死亡，只有少数对象存活，采用复制算法；
• 老年代对象存活率高，没有额外空间对它进行分配，故采用标记-清除或标记-整理算法。

三种算法的比较：

• 效率：复制算法 > 标记-整理算法 > 标记-清除算法（此处的效率只是简单的对比时间复杂度）
• 内存整理度：复制算法 = 标记-整理算法 》标记-清除算法
• 内存利用率：标记-整理算法 = 标记-清除算法 》复制算法

3.2 JVM如何GC？新生代，老年代，持久代，都存储哪些东西，以及各个区的作用？

大多数新生的对象在Eden区分配，当Eden区没有足够空间进行分配时，虚拟机就会进行一次Minor GC。(Survivor是两个)
1. 新生代
在方法中new一个对象，方法调用完毕后，对象就会被回收，这就是一个典型的新生代对象。（新生对象在eden区经历过一次minorGC并且被Survivor容纳的话，对象年龄为1，每一次熬过MinorGc 年龄就会加1，直到15，就会晋升到老年。）

注意动态对象的判定：Survivor空间中相同年龄的对象大小总和大于Survivo空间的一半，大于或等于该年龄的对象就可以直接进入老年代。

2. 老年代

• 在新生代中经历了N次垃圾回收后仍然存活的对象，就会被放到老年代中，而且大对象（占用大量连续内存空间的java对象如很长的字符串及数组）直接进入老年代。
• 当survivor空间不够用时，需要依赖老年代进行分配担保。

3.3 GC 引用可达性分析算法中 GCRoots 对象

• java虚拟机栈中的对象（引用对象）；
• 方法区中的静态成员；
• 方法区中的常量引用对象；
• 本地方法区中的JNI（Native方法）引用对象 ；

3.4 MinorGC、FullGC时机

1. MinorGC(新生代GC)
当Eden区没有足够空间进行分配时，虚拟机就会进行一次Minor GC。

• 新生代中的垃圾收集动作，采用的是复制算法；
• 对于较大的对象（很长的字符串、数据、集合），在Minor GC的时候可以直接进入老年代。

2. FullGC(老年代GC)

• Full GC 是发生在老年代的垃圾收集动作，采用的是标记-清除/整理算法；
• 由于老年代的对象几乎都是在survivor区熬过来的，不会那么容易死掉，因此Full GC发生的次数不会像MInor GC那么频繁，Full GC清理时间是Minor GC的10倍。

3.5 各垃圾回收器工作原理

3.5.1 Serial 收集器

• 是一个单线程收集器，它“单线程”的意义并不仅仅说明它只会使用一个cpu或一条线程去完成垃圾回收工作。而是在收集垃圾时，暂停其他的工作线程。
• 新生代采用复制算法，stop-the-world（消除或者减少工作线程因内存回收而导致停顿）。
• 老年代采用标记–整理算法。
• 简单高效，client模式下默认的新生代收集器。

3.5.2 ParNew 收集器

• ParNew收集器是Serial收集器的多线程版本；
• 新生代采用复制算法，stop-the-world；
• 老年代采用标记–整理算法；
• 它是运行在server模式下首选新生代收集器；
• 除了serial收集器之外，只能它能和cms收集器配合工作。

3.5.3 ParNew Scanvenge 收集器

• 类似ParNew，但是更加关注吞吐量。目标是：达到一个可控制吞吐量的收集器；
• 停顿时间和吞吐量不可能同时调优。我们一方面希望停顿时间少，另一方面希望吞吐量高，其实这是矛盾的。
  因为：在GC的时候，垃圾回收的工作量是不变的，如果停顿时间减少，那频率就会提高；既然频率提高了，说明就会频繁的进行GC,那吞吐量就会减少，性能就会降低。

3.5.4 G1 收集器（核心重点）

• 是当今收集器发展的最前沿成果之一，对垃圾回收进行划分优先级的操作，这种有优先级的区域回收方法保证了它的高效率；
• 最大的优点是结合了空间整合，不会产生大量的碎片，也降低了进行GC的频率；
• 让使用者明确指定停顿的时间。

3.5.5 CMS收集器：(Concurrent Mark Sweep:并发标记-清除 老年代收集器）

• 一种以获得最短回收停顿时间为目标的收集器，适用于互联网网站或者B/S系统的服务器上；
• 初始化标记（stop-the-world）：根可以直接关联到的对象；
• 并发标记（和用户线程一起）：主要标记过程，标记全部对象；
• 重新标记（stop-the-world）：由于并发标记时，用户线程依然运行，因此在正式清理前，再做修正；
• 并发清除（和用户线程一起）：基于标记结果，直接清理对象。

注意：CMS有三个致命的问题：

1. cpu资源占用；
2. 浮动的垃圾无法清除；
3. 内存碎片；

3.6 java 引用类型

Java有四种引用类型：

• 强引用：通过new产生的对象都是强引用。
• 软引用：一些还有用但不是必须的对象可以使用软引用。比如创建一个软引用数组，这个数组存放了100多个学生对象的信息。内存比较空闲的时候这些对象和强引用没有区别，但内存紧张的时候就会被GC回收。（这就是GC的判定条件）
  应用软引用的好处：java在内存不足时，程序不会崩溃；
• 弱引用：描述非必须对象的（比软引用更弱），当GC工作时，无论内存是否紧张都会回收掉；当某个对象是偶尔使用，并且在使用时随时能获取，又不想影响垃圾的回收，可以考虑应用这个。
• 虚引用：无法通过虚引用来获取对一个对象的真实引用。唯一的用处：能在对象被GC时收到系统通知，JAVA中用PhantomReference来实现虚引用。