面试害怕考到JVM? 看这一篇就够了~

不念不忘少年蓝@ 2024-03-31 15:29 4阅读 0赞

**目录**

前言

一、JVM内存划分

二、类加载

2.1、类加载是在干什么？

2.2、类加载的过程

2.3、何时触发类加载？

2.4、双亲委派模型（重点考察）

2.4.1、什么是双亲委派模型？

2.4.2、涉及到的类加载器

2.4.3、详细过程图解

三、GC（垃圾回收机制）

3.1、STW问题（Stop The World）

3.2、GC回收哪部分内存？

3.3、垃圾对象的判定算法

3.3.1、引用计数法（非JVM采取的办法）

3.3.2、可达性分析（JVM采取的办法）

3.4、垃圾回收算法

3.4.1、标记-清除算法

3.4.2、复制算法

3.4.3、标记整理算法

3.4.4、分代算法

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## 前言 ##

面试中要考到有关JVM的话题，主要也就是三个方面：1.JVM内存划分，2.JVM类加载，3.JVM的垃圾回收；弄清楚这三个方面的内容，带你体会面试就如聊天？本篇会用通俗简洁的话，高效的带你理解JVM这三个模块！

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## 一、JVM内存划分 ##

java程序，是一个名字为java的进程，这个进程就是所说的“JVM”；

JVM 会从操作系统中申请一块大的内存空间，在此基础上分成几个小的区域；

> 区域划分如下图：

![fa327260032144bfae377e0d03318b7b.png][]

**注意：上图中每一个虚线框都对应一个线程；程序计数器是每个线程都有一个；**

> 这些区域分别存放什么？（面试如果问到，如下回答即可）

1.堆：存放new出来的对象；（成员变量）

2.方法区：存放的是类对象；（静态变量）

3.栈（虚拟机栈， 本地方法栈）：存放方法之间的调用关系；（局部变量）

4. 程序计数器：存放的是下一个要执行的指令；

**注意：变量存放在哪一个区域，和变量类型无关！和变量的形态（局部，成员，静态）有关！**

> 测试：以下变量存放在什么位置?（笔试题中会出现）

![209e065accdc4baf9f4600b56f0d91b6.png][]

**解释：**

变量a是成员变量，所以存放在堆里

变量b是成员变量，所以存放在堆里

变量c是静态变量，在类对象里，所以存放在方法区中；

testHead这个引用是静态的，在方法区中，他new出的对象是在堆里的；

test这个引用是局部变量，所以就在栈上，他new出的对象在堆中；

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### 二、类加载 ###

### 2.1、类加载是在干什么？ ###

java程序在运行之前，会先编译，也就是由 .java 编译成 .class文件（二进制字节码文件），运行的时候，java进程(JVM)就会读取到对应的 .class 文件，并解析内容，在内存中构造出类对象进行初始化；

简而言之就是： 类 从 文件 加载到内存中；

### 2.2、类加载的过程 ###

> 下图为类的生命周期：

![ce910be3a55349c7b74a585ef89382e7.png][]

**解释：**

前 5 步是固定的顺序并且也是类加载的过程，其中中间的 3 步我们都属于连接，所以对于类加载来 说总共分为以下五个步骤：

1.  加载；
2.  连接 =>（1.验证、2.准备、3.解析）；
3.  初始化；

> 对类加载步骤的解释：

1. 加载：找到 .class 文件，读取文件内容，按照 .class 规范的格式来解析；

2. 验证：检查当前的 .class 里的内容格式是否符合要求；

3. 准备：给类里的静态变量分配内存空间；

*例如，static int a = 6; 这段代码在准备阶段就会给a分配4个字节的内存空间，同时这些空间的初始值都是0；*

4. 解析：初始化字符串常量，把**符号引用（占位符）**替换成**直接引用（内存地址）**；

*例如，String str = "hello!"; 类加载之前，"hello!"这个字符串常量并没有分配内存空间，因此 str 里就无法保存字符串常量的真实地址，只能使用一个占位符标记一下（标记了这里是"hello!"这个字符串常量的内存地址），等到真正给"hello!"分配了内存后（类加载完后），就可以用真正的地址代替之前的占位符；*

5.初始化：针对类进行初始化，初始化顺序如下

*父类（静态变量、静态代码块）–>子类（静态变量、静态代码块）–>父类（变量、代码块）–> 父类构造器–>子类（变量、初始化块）–>子类构造器。*

***注意：静态代码和静态变量同级，变量和代码块同级。谁在前先执行谁。类只会初始化一次。***

### 2.3、何时触发类加载？ ###

这里并不是程序一启动就加载了，而是类似于\[ 懒汉模式 \] ，使用到这个类的时候，才会触发加载；

> 怎么算才是使用到这个类？

1. 创建了这个类的实例；

2. 使用了类的静态方法/静态属性；

3.实用类的子类（加载子类会触发加载父类）；

### 2.4、双亲委派模型（重点考察） ###

#### 2.4.1、什么是双亲委派模型？ ####

一个类加载器收到类加载请求，首先自己不会加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器完成，每一层都是如此，因此所有加载请求最终都会送到最顶层的加载器中，只有父加载器反馈无法加载这个请求，子类才会尝试去加载；

#### 2.4.2、涉及到的类加载器 ####

1. Bootstrap ClassLoader ：负责加载标准库中的类；

2. Extension ClassLoader：负责加载JVM扩展的库的类（标准库中没有，但JVM自己实现出了）；

3. Application ClassLoader ：负责加载我们自己的项目中的自定义类；

#### 2.4.3、详细过程图解 ####

![178c3a3d1d314e78a8c08c20dc02420e.png][]

有意思的是，上述过程并未涉及到 “双亲”，只是 “单亲”，这里的 “双亲” 实际上是机翻出来的，更直白其实可以叫 “单亲委派模型”...

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## 三、GC（垃圾回收机制） ##

在学习C语言的过程中，需要通过 malloc 申请内存，最后通过 free 进行释放，这里就容易存在一个问题——忘记free，造成内存泄漏；而GC（垃圾回收）就是一个主流处理方案；

> GC是干什么的呢？

就是一个自动释放内存的机制；我们只需要负责申请内存，释放内存的工作交给JVM完成，JVM会自动判定当前内存是否不再使用，若不再使用，就自动释放；（类似开车 => 手动挡 升级 自动档）

### 3.1、STW问题（Stop The World） ###

C++为何不引入GC？因为GC存在一个最大的问题就是会引入额外的 “空间+时间” 开销；

空间上：消耗额外的CPU / 内存资源；

时间上：最大的问题——STW问题（Stop The World）；

> 什么是STW问题？

当程序运行到需要GC释放内存的时候，就有需要消耗一定的时间，反应到用户这里，就有可能存在明显的卡顿；

那那那那...为什么我们还要用他？因为在实际的开发中，开发效率是大于运行效率的~

### 3.2、GC回收哪部分内存？ ###

方法区？类对象加载一次之后便不会卸载；栈？释放时机确定，不用回收；程序计数器？固定内存空间，不必回收；**GC主要就是针对堆来回收的；**

> 如下图：

![41a85639fa7d4a09a3df101d39093df5.png][]

### 3.3、垃圾对象的判定算法 ###

> 如何判断一个某个对象是否是垃圾？

如果一个对象没有任何引用能够指向他，这个对象就是视为垃圾了；

#### 3.3.1、引用计数法（非JVM采取的办法） ####

*注意：此方法不是JVM采取的方法，Python、PHP使用这个方法；*

具体的，给每个对象加上一个计数器，这个计数器就表示 “当前的对象有几个引用”；

> 如下图：

![cdbb863451014d6597a067865421ccef.png][]

> 解释：

每多一个引用指向该对象，计数器就+1；

每少一个引用指向该对象，计数器就-1；

当计数器的数值为0时，就说明这个对象已经没有人能够再使用了，此时就可以进行释放；

> 存在缺点：

1. 空间利用率低，尤其是小对象（例如：计数器本身大小为int，对象里也只有一个int大小的成员，相当于空间增加了一倍）；

2. 可能出现循环引用的情况，如下：

![8298b8adb30240c49221963be7d65212.png][]

> 解释：

当前这两个对象引用计数器为1，因为即使t1, t2两个引用被置为空，但实际上时两个对象在相互引用，此时外界代码是无法访问的，但由于引用计数器不是0，所以无法进行释放；

#### 3.3.2、可达性分析（JVM采取的办法） ####

约定一些特定的变量，成为 “GC roots”， 每隔一段时间，从GCroots出发，进行遍历，查询哪些变量是能够被访问到的，能被访问到的变量就称为 “可达”，否则就是 “不可达”；

> GC roots对象可以是以下几种：

\-- 栈上的变量；

\-- 常量池引用的对象；

\-- 方法区中静态属性引用对象；

\-- 方法区中常量引用的对象；

> 具体的如下图：

![72225406da144ba3829dee49e8865e9c.png][]

> 解释：

上图中，通过 GC roots就可以找到object1、object2、object3、object4；而object5、6、7则不可以被访问到，所以5、6、7就是垃圾了；

### 3.4、垃圾回收算法 ###

#### 3.4.1、标记-清除算法 ####

简单来说，就是标记出垃圾后，直接把对象对应的内存空间进行释放；

> 如下图：

![4a9686209145410eb1ab3fb2ee4815af.png][]

> 解释：

上图中，黑色部分就是被标记要清除的部分，经过回收后，就剩下了存活对象；

> 缺点：

1.效率：标记和清除这两个过程的效率都不高；

2.空间（内存碎片）：如上图，标记就清除后会产生大量不连续的内存碎片，碎片太多可能会导致之后程序运行中需要分配较大对象时，可能无法找到连续且足够大的空间而无法申请空间；

#### 3.4.2、复制算法 ####

这是针对内存碎片问题，引入的办法；

具体的，将内存分成两块大小相等的空间，但只使用其中的一块，当需要进行垃圾回收时，就把正在使用的那块空间上还存活的对象复制到另一块上，再将使用过的那块内存全部清空；这样做的好处就是不用在考虑内存碎片问题；

> 如下图：

![cf2c32b03de44c209328039a9fd75bdc.png][]

> 缺点：

1. 空间利用率相比标记清除法更低了；

2. 若一轮GC下来，大部分需要保留，只有极少数要回收，这时候复制的开销就很大了；

#### 3.4.3、标记整理算法 ####

标记过程与 “标记-清除算法”一致，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活对象都向一端连续性的覆盖，然后直接清除掉边界以外的空间；（类似于顺序表的删除元素）

> 如下图：

![fc517576a51c436685bd3538924d40bb.png][]

> 评价：

相对于复制算法而言，空间利用率提升了，同时也解决了内存碎片化问题，但是搬运操作比较耗时；

#### 3.4.4、分代算法 ####

分代算法总和了上面所说的三种算法，通过区域划分，实现不用区域用不同的垃圾回收策略，从而实现更好的垃圾回收；也就是我们常说的“因地制宜”~

> 如下图：

![8ca649946e644ba2a145f6c7719f1f0a.png][]

> 解释：

1. 刚创建出来的对象，进入伊甸区；

2. 若新对象熬过一轮GC，没挂，就通过**复制算法**，复制到生存区；

3. 生存区的对象也要经历GC，每熬过一次GC，就会通过**复制算法**拷贝到另一个生存区（只要这个对象不死亡，就会在两个生存区来回拷贝）；

4. 如果一个对象在生存区中，反复坚持了很多轮还没去世，就会被放到老年代（老年代GC的频率会降低）；

5. 若对象来到了老年代，也会进行定期的GC，只是频率更低了；老年代采取**标记整理**的方式来处理垃圾；

**特殊处理：若新创建的对象非常大，则直接进入老年代；因为一个大的对象进行复制算法，开销太大；另一个角度考虑，既然是一个很大的对象，费这么大开销创建出来，肯定不是立即就销毁的；**

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