每日一题之 JVM-02

r囧r小猫 2021-09-02 08:09 243阅读 0赞

点击上方 [Java后端][Java]，选择 设为星标

优质文章，及时送达

--------------------

**CMS的执行过程**

1.  初始标记(STW initial mark)：这个过程从垃圾回收的"根对象"开始，只扫描到能够和"根对象"直接关联的对象，并作标记。所以这个过程虽然暂停了整个JVM，但是很快就完成了。
2.  并发标记(Concurrent marking)：这个阶段紧随初始标记阶段，在初始标记的基础上继续向下追溯标记。并发标记阶段，应用程序的线程和并发标记的线程并发执行，所以用户不会感受到停顿。
3.  并发预清理(Concurrent precleaning)：并发预清理阶段仍然是并发的。在这个阶段，虚拟机查找在执行并发标记阶段新进入老年代的对象(可能会有一些对象从新生代晋升到老年代， 或者有一些对象被分配到老年代)。通过重新扫描，减少下一个阶段"重新标记"的工作，因为下一个阶段会Stop The World。
4.  重新标记(STW remark)：这个阶段会暂停虚拟机，收集器线程扫描在CMS堆中剩余的对象。扫描从"跟对象"开始向下追溯，并处理对象关联。
5.  并发清理(Concurrent sweeping)：清理垃圾对象，这个阶段收集器线程和应用程序线程并发执行。
6.  并发重置(Concurrent reset)：这个阶段，重置CMS收集器的数据结构状态，等待下一次垃圾回收。

### G1的执行过程 ###

1.  标记阶段：首先是初始标记(Initial-Mark),这个阶段也是停顿的(stop-the-word)，并且会稍带触发一次yong GC。
2.  并发标记：这个过程在整个堆中进行，并且和应用程序并发运行。并发标记过程可能被yong GC中断。在并发标记阶段，如果发现区域对象中的所有对象都是垃圾，那个这个区域会被立即回收(图中打X)。同时，并发标记过程中，每个区域的对象活性(区域中存活对象的比例)被计算。
3.  再标记：这个阶段是用来补充收集并发标记阶段产新的新垃圾。与之不同的是，G1中采用了更快的算法:SATB。
4.  清理阶段：选择活性低的区域(同时考虑停顿时间)，等待下次yong GC一起收集，对应GC log: \[GC pause (mixed)\]，这个过程也会有停顿(STW)。
5.  回收/完成：新的yong GC清理被计算好的区域。但是有一些区域还是可能存在垃圾对象，可能是这些区域中对象活性较高，回收不划算，也肯能是为了迎合用户设置的时间，不得不舍弃一些区域的收集。

G1和CMS的比较

1.  CMS收集器是获取最短回收停顿时间为目标的收集器，因为CMS工作时，GC工作线程与用户线程可以并发执行，以此来达到降低停顿时间的目的（只有初始标记和重新标记会STW）。但是CMS收集器对CPU资源非常敏感。在并发阶段，虽然不会导致用户线程停顿，但是会占用CPU资源而导致引用程序变慢，总吞吐量下降。
2.  CMS仅作用于老年代，是基于标记清除算法，所以清理的过程中会有大量的空间碎片。
3.  CMS收集器无法处理浮动垃圾，由于CMS并发清理阶段用户线程还在运行，伴随程序的运行自热会有新的垃圾不断产生，这一部分垃圾出现在标记过程之后，CMS无法在本次收集中处理它们，只好留待下一次GC时将其清理掉。
4.  G1是一款面向服务端应用的垃圾收集器，适用于多核处理器、大内存容量的服务端系统。G1能充分利用CPU、多核环境下的硬件优势，使用多个CPU（CPU或者CPU核心）来缩短STW的停顿时间，它满足短时间停顿的同时达到一个高的吞吐量。
5.  从JDK 9开始，G1成为默认的垃圾回收器。当应用有以下任何一种特性时非常适合用G1：Full GC持续时间太长或者太频繁；对象的创建速率和存活率变动很大；应用不希望停顿时间长(长于0.5s甚至1s)。
6.  G1将空间划分成很多块（Region），然后他们各自进行回收。堆比较大的时候可以采用，采用复制算法，碎片化问题不严重。整体上看属于标记整理算法,局部(region之间)属于复制算法。
7.  G1 需要记忆集来记录新生代和老年代之间的引用关系，这种数据结构在 G1 中需要占用大量的内存，可能达到整个堆内存容量的 20% 甚至更多。而且 G1 中维护记忆集的成本较高，带来了更高的执行负载，影响效率。所以 CMS 在小内存应用上的表现要优于 G1，而大内存应用上 G1 更有优势，大小内存的界限是6GB到8GB。（Card Table（CMS中）的结构是一个连续的byte\[\]数组，扫描Card Table的时间比扫描整个老年代的代价要小很多！G1也参照了这个思路，不过采用了一种新的数据结构 Remembered Set 简称Rset。RSet记录了其他Region中的对象引用本Region中对象的关系，属于points-into结构（谁引用了我的对象）。而Card Table则是一种points-out（我引用了谁的对象）的结构，每个Card 覆盖一定范围的Heap（一般为512Bytes）。G1的RSet是在Card Table的基础上实现的：每个Region会记录下别的Region有指向自己的指针，并标记这些指针分别在哪些Card的范围内。这个RSet其实是一个Hash Table，Key是别的Region的起始地址，Value是一个集合，里面的元素是Card Table的Index。每个Region都有一个对应的Rset。）

哪些对象可以作为GC Roots

1.  虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象。
2.  方法区中类静态属性引用的对象。
3.  方法区中常量引用的对象。
4.  本地方法栈中JNI（即一般说的Native方法）引用的对象。

GC中Stop the world（STW）

在执行垃圾收集算法时，Java应用程序的其他所有除了垃圾收集收集器线程之外的线程都被挂起。此时，系统只能允许GC线程进行运行，其他线程则会全部暂停，等待GC线程执行完毕后才能再次运行。这些工作都是由虚拟机在后台自动发起和自动完成的，是在用户不可见的情况下把用户正常工作的线程全部停下来，这对于很多的应用程序，尤其是那些对于实时性要求很高的程序来说是难以接受的。

但不是说GC必须STW,你也可以选择降低运行速度但是可以并发执行的收集算法，这取决于你的业务。

垃圾回收算法

1.  停止-复制：先暂停程序的运行,然后将所有存活的对象从当前堆复制到另一个堆,没有被复制的对象全部都是垃圾。当对象被复制到新堆时,它们是一个挨着一个的,所以新堆保持紧凑排列,然后就可以按前述方法简单,直接的分配了。缺点是一浪费空间,两个堆之间要来回倒腾,二是当程序进入稳定态时,可能只会产生极少的垃圾,甚至不产生垃圾,尽管如此,复制式回收器仍会将所有内存自一处复制到另一处。
2.  标记-清除：同样是从堆栈和静态存储区出发,遍历所有的引用,进而找出所有存活的对象。每当它找到一个存活的对象,就会给对象一个标记,这个过程中不会回收任何对象。只有全部标记工作完成的时候,清理动作才会开始。在清理过程中,没有标记的对象会被释放,不会发生任何复制动作。所以剩下的堆空间是不连续的,垃圾回收器如果要希望得到连续空间的话,就得重新整理剩下的对象。
3.  标记-整理：它的第一个阶段与标记/清除算法是一模一样的，均是遍历GC Roots，然后将存活的对象标记。移动所有存活的对象，且按照内存地址次序依次排列，然后将末端内存地址以后的内存全部回收。因此，第二阶段才称为整理阶段。
4.  分代收集算法：把Java堆分为新生代和老年代，然后根据各个年代的特点采用最合适的收集算法。新生代中，对象的存活率比较低，所以选用复制算法，老年代中对象存活率高且没有额外空间对它进行分配担保，所以使用“标记-清除”或“标记-整理”算法进行回收。

Minor GC和Full GC触发条件

*  Minor GC触发条件：当Eden区满时，触发Minor GC。
 *  Full GC触发条件：

1.  调用System.gc时，系统建议执行Full GC，但是不必然执行
2.  老年代空间不足
3.  方法区空间不足
4.  通过Minor GC后进入老年代的平均大小大于老年代的可用内存
5.  由Eden区、From Space区向To Space区复制时，对象大小大于To Space可用内存，则把该对象转存到老年代，且老年代的可用内存小于该对象大小

TLAB

在Java中，典型的对象不再堆上分配的情况有两种：TLAB和栈上分配（通过逃逸分析）。JVM在内存新生代Eden Space中开辟了一小块线程私有的区域，称作TLAB（Thread-local allocation buffer）。默认设定为占用Eden Space的1%。在Java程序中很多对象都是小对象且用过即丢，它们不存在线程共享也适合被快速GC，所以对于小对象通常JVM会优先分配在TLAB上，并且TLAB上的分配由于是线程私有所以没有锁开销。因此在实践中分配多个小对象的效率通常比分配一个大对象的效率要高。也就是说，Java中每个线程都会有自己的缓冲区称作TLAB（Thread-local allocation buffer），每个TLAB都只有一个线程可以操作，TLAB结合bump-the-pointer技术可以实现快速的对象分配，而不需要任何的锁进行同步，也就是说，在对象分配的时候不用锁住整个堆，而只需要在自己的缓冲区分配即可。

Java对象分配的过程

1.  编译器通过逃逸分析，确定对象是在栈上分配还是在堆上分配。如果是在堆上分配，则进入2.
2.  如果tlab\_top + size <= tlab\_end，则在在TLAB上直接分配对象并增加tlab\_top 的值，如果现有的TLAB不足以存放当前对象则3.
3.  重新申请一个TLAB，并再次尝试存放当前对象。如果放不下，则4。
4.  在Eden区加锁（这个区是多线程共享的），如果eden\_top + size <= eden\_end则将对象存放在Eden区，增加eden\_top 的值，如果Eden区不足以存放，则5。
5.  执行一次Young GC（minor collection）
6.  经过Young GC之后，如果Eden区任然不足以存放当前对象，则直接分配到老年代。

对象内存分配的两种方法

1.  指针碰撞(Serial、ParNew等带Compact过程的收集器) ：假设Java堆中内存是绝对规整的，所有用过的内存都放在一边，空闲的内存放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那所分配内存就仅仅是把那个指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离，这种分配方式称为“指针碰撞”（Bump the Pointer）。
2.  空闲列表(CMS这种基于Mark-Sweep算法的收集器) ：如果Java堆中的内存并不是规整的，已使用的内存和空闲的内存相互交错，那就没有办法简单地进行指针碰撞了，虚拟机就必须维护一个列表，记录上哪些内存块是可用的，在分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例，并更新列表上的记录，这种分配方式称为“空闲列表”（Free List）。

JVM类加载过程

类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括：加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载7个阶段。

1.  加载：通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流，将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构，在内存中生成一个代表这个类的Class对象，作为方法去这个类的各种数据的访问入口
2.  验证：验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟自身的安全。
3.  准备：准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些变量所使用的内存都将在方法去中进行分配。这时候进行内存分配的仅包括类变量（static），而不包括实例变量，实例变量将会在对象实例化时随着对象一起分配在Java堆中。
4.  解析：解析阶段是虚拟机将常量池内的符号（Class文件内的符号）引用替换为直接引用（指针）的过程。
5.  初始化：初始化阶段是类加载过程的最后一步，开始执行类中定义的Java程序代码（字节码）。

双亲委派模型

双亲委派的意思是如果一个类加载器需要加载类，那么首先它会把这个类请求委派给父类加载器去完成，每一层都是如此。一直递归到顶层，当父加载器无法完成这个请求时，子类才会尝试去加载。

双亲委派模型的"破坏"

一个典型的例子便是JNDI服务，JNDI现在已经是Java的标准服务，它的代码由启动类加载器去加载(在JDK 1.3时放进去的rt.jar)，但JNDI的目的就是对资源进行集中管理和查找，它需要调用由独立厂商实现并部署在应用程序的ClassPath下的JNDI接口提供者(SPI,Service Provider Interface)的代码，但启动类加载器不可能“认识”这些代码那该怎么办?

为了解决这个问题，Java设计团队只好引入了一个不太优雅的设计:线程上下文类加载器(Thread Context ClassLoader)。这个类加载器可以通过java.lang.Thread类的 setContextClassLoaser()方法进行设置，如果创建线程时还未设置，它将会从父线程中继承 一个，如果在应用程序的全局范围内都没有设置过的话，那这个类加载器默认就是应用程序类加载器。

有了线程上下文类加载器，就可以做一些“舞弊”的事情了，JNDI服务使用这个线程上下 文类加载器去加载所需要的SPI代码，也就是父类加载器请求子类加载器去完成类加载的动 作，这种行为实际上就是打通了双亲委派模型的层次结构来逆向使用类加载器，实际上已经 违背了双亲委派模型的一般性原则，但这也是无可奈何的事情。Java中所有涉及SPI的加载动 作基本上都采用这种方式，例如JNDI、JDBC、JCE、JAXB和JBI等。

JVM锁优化和膨胀过程

1.  自旋锁：自旋锁其实就是在拿锁时发现已经有线程拿了锁，自己如果去拿会阻塞自己，这个时候会选择进行一次忙循环尝试。也就是不停循环看是否能等到上个线程自己释放锁。自适应自旋锁指的是例如第一次设置最多自旋10次，结果在自旋的过程中成功获得了锁，那么下一次就可以设置成最多自旋20次。
2.  锁粗化：虚拟机通过适当扩大加锁的范围以避免频繁的拿锁释放锁的过程。
3.  锁消除：通过逃逸分析发现其实根本就没有别的线程产生竞争的可能（别的线程没有临界量的引用），或者同步块内进行的是原子操作，而“自作多情”地给自己加上了锁。有可能虚拟机会直接去掉这个锁。
4.  偏向锁：在大多数的情况下，锁不仅不存在多线程的竞争，而且总是由同一个线程获得。因此为了让线程获得锁的代价更低引入了偏向锁的概念。偏向锁的意思是如果一个线程获得了一个偏向锁，如果在接下来的一段时间中没有其他线程来竞争锁，那么持有偏向锁的线程再次进入或者退出同一个同步代码块，不需要再次进行抢占锁和释放锁的操作。
5.  轻量级锁：当存在超过一个线程在竞争同一个同步代码块时，会发生偏向锁的撤销。当前线程会尝试使用CAS来获取锁，当自旋超过指定次数(可以自定义)时仍然无法获得锁，此时锁会膨胀升级为重量级锁。
6.  重量级锁：重量级锁依赖对象内部的monitor锁来实现，而monitor又依赖操作系统的MutexLock（互斥锁）。当系统检查到是重量级锁之后，会把等待想要获取锁的线程阻塞，被阻塞的线程不会消耗CPU，但是阻塞或者唤醒一个线程，都需要通过操作系统来实现。

什么情况下需要开始类加载过程的第一个阶段加载

1.  遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这4条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。生成这4条指令的最常见的Java代码场景是：使用new关键字实例化对象的时候、读取或设置一个类的静态字段（被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外）的时候，以及调用一个类的静态方法的时候。
2.  使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
3.  当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行过初始化，则需要先触发其父类的初始化。
4.  当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类（包含main（）方法的那个类），虚拟机会先初始化这个主类。

i++操作的字节码指令

1.  将int类型常量加载到操作数栈顶
2.  将int类型数值从操作数栈顶取出，并存储到到局部变量表的第1个Slot中
3.  将int类型变量从局部变量表的第1个Slot中取出，并放到操作数栈顶
4.  将局部变量表的第1个Slot中的int类型变量加1
5.  表示将int类型数值从操作数栈顶取出，并存储到到局部变量表的第1个Slot中，即i中

作者：yuanguangxin

链接：https://github.com/yuanguangxin/LeetCode

**- END -**

最近整理一份面试资料《Java技术栈学习手册》，覆盖了Java技术、面试题精选、Spring全家桶、Nginx、SSM、微服务、数据库、数据结构、架构等等。
    获取方式：点“ 在看，关注公众号 Java后端 并回复 777 领取，更多内容陆续奉上。
    推荐阅读 
    1. 每日一题之 ZooKeeper
    2. 每日一题之 Redis
    3. 每日一题之 MySQL
    
    4. 每日一题之 JVM-01
    
    
    
    喜欢文章，点个在看

[Java]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzg2MjEwMjI1Mg%3D%3D&chksm=ce0da17bf97a286df119047a25b7de51621fe542816673bb4aa3ebd8ab97b09a86ed7db2e2ee&idx=3&mid=2247489272&scene=21&sn=ce74938072fc73a808d83ccb474db46d#wechat_redirect