JVM：常见的面试题和答案

1. 什么是JVM？

答案： Java虚拟机（JVM）是Java平台的一部分，是一个虚拟计算机，负责在运行时执行Java字节码。它提供了Java程序运行的环境，包括内存管理、垃圾回收、即时编译等功能，使得Java程序可以在不同的平台上实现一次编写，到处运行的特性。

• 程序计数器（Program Counter Register）：当前线程所执行的字节码的行号指示器，字节码解析器的工作是通过改变这个计数器的值，来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能，都需要依赖这个计数器来完成；
• Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）：用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息；
• 本地方法栈（Native Method Stack）：与虚拟机栈的作用是一样的，只不过虚拟机栈是服务 Java 方法的，而本地方法栈是为虚拟机调用 Native 方法服务的；
• Java 堆（Java Heap）：Java 虚拟机中内存最大的一块，是被所有线程共享的，几乎所有的对象实例都在这里分配内存；
• 方法区（Methed Area）：用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译后的代码等数据。

2. Java内存模型（JMM）是什么？

答案： Java内存模型是一种规范，定义了Java虚拟机如何协调多线程访问共享内存的规则。它确保线程之间的可见性、有序性和一致性。JMM包括主内存和每个线程的工作内存，通过内存屏障和同步操作来协调线程之间的交互。这是为了保证在多线程环境中程序的正确性。

3. 什么是垃圾回收？Java中有哪些垃圾回收算法？

答案： 垃圾回收是指自动识别和释放不再被程序使用的内存的过程。在Java中，垃圾回收器负责管理和清理不再被引用的对象。常见的垃圾回收算法有以下几点：

• 标记-清除算法（Mark and Sweep）： 首先标记不再使用的对象，然后清除（删除）它们。
• 复制算法（Copying）： 将存活的对象复制到新的内存区域，然后清除旧区域。
• 标记-整理算法（Mark and Compact）： 首先标记不再使用的对象，然后将存活的对象移到一侧，并清除未使用的内存。
• 分代算法（Generational）： 将内存划分为不同的代，年轻代和老年代，根据对象的生命周期分别采用不同的垃圾回收算法

4. 什么是Java堆和栈？

答案： Java堆是Java虚拟机管理的最大一块内存区域，用于存储对象实例。栈则是每个线程私有的，用于存储局部变量和方法调用信息。主要区别在于，堆是用于存储对象的动态分配内存区域，而栈是用于存储基本数据类型和对象引用的内存区域。堆的内存空间由垃圾回收器负责管理，而栈的内存空间由线程自动管理。

5. 什么是类加载器？Java中有哪些类加载器？

答案： 类加载器是Java虚拟机的一部分，负责将类的字节码加载到内存中，并转换成Java对象。常见的类加载器有启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）、扩展类加载器（Extension ClassLoader）、应用程序类加载器（Application ClassLoader）和自定义类加载器。这些类加载器形成了层次结构，按照双亲委派模型，父类加载器负责委托给子类加载器进行类加载。

6. 垃圾回收的目的是什么？

答：垃圾回收的主要目的是：

• 释放不再被引用的内存对象，以避免内存泄漏。
• 提高内存资源的有效利用，减少内存碎片化。
• 减少程序员手动管理内存的工作，提高开发效率。
• 增加应用程序的稳定性和可靠性，减少内存相关的错误

7. 队列和栈是什么？有什么区别？

• 队列和栈都是被用来预存储数据的。
• 队列允许先进先出检索元素，但也有例外的情况，Deque 接口允许从两端检索元素。
• 栈和队列很相似，但它运行对元素进行后进先出进行检索

8. Java中都有哪些引用类型？

• 强引用：发生 gc 的时候不会被回收。
• 软引用：有用但不是必须的对象，在发生内存溢出之前会被回收。
• 弱引用：有用但不是必须的对象，在下一次GC时会被回收。
• 虚引用（幽灵引用/幻影引用）：无法通过虚引用获得对象，用 PhantomReference 实现虚引用，虚引用的用途是在 gc 时返回一个通知。

9. Java11的默认垃圾收集器是什么?

答：Java9之后，官方JDK默认使用的垃圾收集器是G1。

10. 常见的垃圾收集器有哪些?

常见的垃圾收集器包括：

• 串行垃圾收集器：‐XX:+UseSerialGC
• 并行垃圾收集器：‐XX:+UseParallelGC
• CMS垃圾收集器：‐XX:+UseConcMarkSweepG
• G1垃圾收集器：‐XX:+UseG1GC

11. 说一下类装载的执行过程？

类装载分为以下 5 个步骤：

• 加载：根据查找路径找到相应的 class 文件然后导入；
• 检查：检查加载的 class 文件的正确性；
• 准备：给类中的静态变量分配内存空间；
• 解析：虚拟机将常量池中的符号引用替换成直接引用的过程。符号引用就理解为一个标示，而在直接引用直接指向内存中的地址；
• 初始化：对静态变量和静态代码块执行初始化工作。

12. JVM 调优的工具有哪些？

答：
常用调优工具分为两类,jdk自带监控工具：jconsole和jvisualvm，第三方有：MAT(Memory AnalyzerTool)、GChisto。

• jconsole：Java Monitoring and Management Console是从java5开始，在JDK中自带的java监控和管理控制台，用于对JVM中内存， 线程和类等的监控
• jvisualvm：jdk自带全能工具，可以分析内存快照、线程快照；监控内存变化、GC变化等。
• MAT：Memory Analyzer Tool，一个基于Eclipse的内存分析工具，是一个快速、功能丰富的Javaheap分析工具，它可以帮助我们查找内存泄漏和减少内存消耗
• GChisto：一款专业分析gc日志的工具

13. 堆和栈的有什么区别

答：栈是运行时单位，代表着逻辑，内含基本数据类型和堆中对象引用，所在区域连续，没有碎片；堆是存储单位，代表着数据，可被多个栈共享（包括成员中基本数据类型、引用和引用对象），所在区域不连续，会有碎片。

• 功能不同
  栈内存用来存储局部变量和方法调用，而堆内存用来存储Java中的对象。无论是成员变量，局部变量， 还是类变量，它们指向的对象都存储在堆内存中。
• 共享性不同
  栈内存是线程私有的。
  堆内存是所有线程共有的。
• 异常错误不同
  如果栈内存或者堆内存不足都会抛出异常。
  栈空间不足：java.lang.StackOverFlowError。堆空间不足：java.lang.OutOfMemoryError。
• 空间大小
  栈的空间大小远远小于堆的

14. JDK常用的调优命令有哪些？

答Sun JDK监控和故障处理命令有jps jstat jmap jhat jstack jinfo

• jps：JVM Process Status Tool,显示指定系统内所有的HotSpot虚拟机进程。
• jstat：JVM statistics Monitoring是用于监视虚拟机运行时状态信息的命令，它可以显示出虚拟机进程中的类装载、内存、垃圾收集、JIT编译等运行数据。
• jmap：JVM Memory Map命令用于生成heap dump文件
• jhat：JVM Heap Analysis Tool命令是与jmap搭配使用，用来分析jmap生成的dump，jhat内置了一个微型的HTTP/HTML服务器，生成dump的分析结果后，可以在浏览器中查看
• jstack：用于生成java虚拟机当前时刻的线程快照。
• jinfo：JVM Configuration info 这个命令作用是实时查看和调整虚拟机运行参数

15. Minor GC与Full GC分别在什么时候发生？

答：新生代内存不够用时候发生MGC也叫YGC，JVM内存不够的时候发生FGC

16. JVM选项-XX:+UseCompressedOops有什么作用？ 为什么要使用？

答：当你将你的应用从 32 位的 JVM 迁移到 64 位的 JVM 时，由于对象的指针从 32 位增加到了 64 位，因此堆内存会突然增加，差不多要翻倍。这也会对 CPU 缓存（容量比内存小很多）的数据产生不利的影响。因为，迁移到 64 位的 JVM 主要动机在于可以指定最大堆大小，通过压缩 OOP 可以节省一定的内存。通过 -XX:+UseCompressedOops 选项，JVM 会使用 32 位的 OOP，而不是 64 位 的 OOP。

17. 什么是双亲委派模型？

答：在介绍双亲委派模型之前先说下类加载器。对于任意一个类，都需要由加载它的类加载器和这个类本身一同确立在 JVM 中的唯一性，每一个类加载器，都有一个独立的类名称空间。类加载器就是根据指定全限定名称将 class 文件加载到 JVM 内存，然后再转化为 class 对象。

类加载器分类：

• 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），是虚拟机自身的一部分，用来加载Java_HOME/lib/目录中的，或者被 -Xbootclasspath 参数所指定的路径中并且被虚拟机识别的类库；

• 其他类加载器：

• 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：负责加载\lib\ext目录或Java. ext. dirs系统变量指定的路径中的所有类库；

• 应用程序类加载器（Application ClassLoader）。负责加载用户类路径（classpath）上的指定类库，我们可以直接使用这个类加载器。一般情况，如果我们没有自定义类加载器默认就是用这个加载器。

双亲委派模型：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，每一层的类加载器都是如此，这样所有的加载请求都会被传送到顶层的启动类加载器中，只有当父加载无法完成加载请求（它的搜索范围中没找到所需的类）时，子加载器才会尝试去加载类。

18. JVM性能调优的目标是什么？

答：JVM性能调优的主要目标包括：

• 提高应用程序的响应性能。
• 最小化垃圾回收的停顿时间。
• 减少内存占用，避免内存泄漏。
• 最大程度地利用硬件资源，提高吞吐量。
• 优化应用程序的整体性能和稳定性。

19. 如何选择适合应用程序的垃圾回收器？

答：选择垃圾回收器应考虑以下因素：

• 应用程序的性能需求：低停顿时间、高吞吐量等。
• 堆内存大小：小堆和大堆需要不同的回收器。
• 硬件资源：多核CPU、内存大小等。
• Java版本和JVM实现：不同版本和实现支持不同的回收器。
• 应用程序的特性：长时间运行、短时间运行、大对象等。
• 通常，可以开始使用默认的垃圾回收器，然后根据性能需求进行调优和选择。

20. 如何调整堆大小以优化性能？

答：可以使用-Xmx和-Xms标志来调整堆大小。其中：

• -Xmx用于设置堆的最大大小，例如-Xmx2g表示将堆的最大大小设置为2GB。
• -Xms用于设置堆的初始大小，例如-Xms512m表示将堆的初始大小设置为512MB。

调整堆大小的目标是确保堆足够大，以容纳应用程序的内存需求，同时避免浪费过多内存。

21. 请描述G1（Garbage-First） GC的工作原理。

答：G1 GC是一种面向大堆内存的垃圾回收器，其工作原理包括以下步骤：

• 首先，它将堆划分为多个区域，包括伊甸园区、幸存者区、老年代等。
• 然后，它会并发地标记不再使用的对象。
• 接着，它会根据各个区域的垃圾量优先回收垃圾。这个过程通常不会导致大的停顿。
• 最后，它会进行一次小的"Stop-the-World"事件，以处理剩余的垃圾。

22. 32 位 JVM 和 64 位 JVM 的最大堆内存分别是多数？

答：理论上说上 32 位的 JVM 堆内存可以到达 2^32， 即 4GB，但实际上会比这个小很多。不同操作系统之间不同，如 Windows 系统大约 1.5GB，Solaris 大约3GB。64 位 JVM 允许指定最大的堆内存，理论上可以达到 2^64，这是一个非常大的数字，实际上你可以指定堆内存大小到 100GB。甚至有的 JVM，如 Azul，堆内存到 1000G 都是可能的。

23. JRE、JDK、JVM 及 JIT 之间有什么不同？

• JRE 代表 Java 运行时（Java run-time），是运行 Java 引用所必须的。

• JDK 代表 Java 开发工具（Java development kit），是 Java 程序的开发工具，如 Java编译器，它也包含 JRE。

• JVM 代表 Java 虚拟机（Java virtual machine），它的责任是运行 Java 应用。

• JIT 代表即时编译（Just In Time compilation），当代码执行的次数超过一定的阈值时，会将 Java 字节码转换为本地代码，如，主要的热点代码会被准换为本地代码，这样有利大幅度提高 Java 应用的性能。

24. 常用的JVM启动参数有哪些?

答：截止目前（2020年3月），JVM可配置参数已经达到1000多个，其中GC和内存配置相关的JVM参数就有600多个。但在绝大部分业务场景下，常用的JVM配置参数也就10来个。
例如：

# JVM启动参数不换行
# 设置堆内存
‐Xmx4g ‐Xms4g
# 指定GC算法
‐XX:+UseG1GC ‐XX:MaxGCPauseMillis=50
# 指定GC并行线程数
‐XX:ParallelGCThreads=4
# 打印GC日志
‐XX:+PrintGCDetails ‐XX:+PrintGCDateStamps
# 指定GC日志文件
‐Xloggc:gc.log
# 指定Meta区的最大值
‐XX:MaxMetaspaceSize=2g
# 设置单个线程栈的大小
‐Xss1m
# 指定堆内存溢出时自动进行Dump
‐XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
‐XX:HeapDumpPath=/usr/local/

此外，还有一些常用的属性配置：

# 指定默认的连接超时时间
‐Dsun.net.client.defaultConnectTimeout=2000
‐Dsun.net.client.defaultReadTimeout=2000
# 指定时区
‐Duser.timezone=GMT+08
# 设置默认的文件编码为UTF‐8
‐Dfile.encoding=UTF‐8
# 指定随机数熵源(Entropy Source)
‐Djava.security.egd=file:/dev/./urandom

25. 设置堆内存XMX应该考虑哪些因素？

答：需要根据系统的配置来确定，要给操作系统和JVM本身留下一定的剩余空间。推荐配置系统或容器里可用内存的 70­80% 最好。
比如说系统有 8G 物理内存，系统自己可能会用掉一点，大概还有 7.5G 可以用，那么建议配置‐Xmx6g
说明：7.5G*0.8 = 6G，如果知道系统里有明确使用堆外内存的地方，还需要进一步降低这个值。

26. 怎样开启GC日志？

答：一般来说，JDK8及以下版本通过以下参数来开启GC日志：

‐XX:+PrintGCDetails ‐XX:+PrintGCDateStamps ‐Xloggc:

如果是在JDK9及以上的版本，则格式略有不同

‐Xlog:gc*=info:file=gc.log:time:filecount=0

27. 请指定使用G1垃圾收集器来启动HelloWorld程序

java ‐XX:+UseG1GC
‐Xms4g
‐Xmx4g
‐Xloggc:gc.log
‐XX:+PrintGCDetails
‐XX:+PrintGCDateStamps HelloWorld

28. 什么是内存溢出错误（OutOfMemoryError）？有哪些常见的内存溢出错误类型？

答：内存溢出错误（OutOfMemoryError）是一种Java程序运行时错误，表示程序试图分配更多内存，但没有足够的内存可供使用。内存溢出错误是由于程序中创建的对象太多，而Java虚拟机（JVM）的堆内存不足以容纳这些对象而引起的。常见的内存溢出错误类型包括：

• java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space：表示堆内存溢出。
• java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space（在旧版本的JVM中）：表示永久代内存溢出。
• java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace（在新版本的JVM中）：表示元空间内存溢出。
• java.lang.OutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded：表示垃圾回收开销过大。

29. 如何分析线程转储（Thread Dump）？

答：分析线程转储（Thread Dump）是诊断多线程应用程序问题的关键步骤之一。以下是一般的线程转储分析步骤：获取线程转储：在应用程序运行时，可以使用工具（如jstack命令，VisualVM等）来生成线程转储。通常，您可以通过以下方式获取线程转储：

• 使用jstack命令：运行jstack ，其中是目标Java进程的进程ID。

• 使用监控工具：如果您使用监控工具（如VisualVM、JConsole等），通常可以通过工具界面生成线程转储。
  在发生问题时生成线程转储：如果应用程序出现性能问题或死锁，您可以使用操作系统工具来生成线程转储，例如在Unix/Linux系统上可以使用kill -3 命令。

• 查看线程状态：打开生成的线程转储文件（通常是文本文件），查看线程列表。了解每个线程的状态，例如RUNNABLE（运行中）、WAITING（等待中）、BLOCKED（阻塞中）等。

• 分析堆栈跟踪：对于每个线程，查看其堆栈跟踪以了解线程执行的代码路径。堆栈跟踪通常包含了方法和类名，帮助您确定问题代码的位置。

• 查找共享资源和锁信息：如果线程转储包含锁信息，查看哪些线程正在等待获取哪些锁，以及哪些线程已经持有锁。这有助于识别死锁或资源争用问题。

• 识别问题线程：找出占用CPU高或处于异常状态的线程，以及哪些线程可能导致了性能问题或死锁。

• 使用性能分析工具：如果需要更深入的分析，您可以使用性能分析工具（如VisualVM、JProfiler、YourKit等）来可视化和交互式地分析线程转储数据。这些工具通常提供更强大的分析功能，有助于更轻松地识别问题。

• 解决问题：根据分析的结果，采取必要的措施来解决线程问题。这可能包括优化代码、解决死锁、减少线程争用等。

• 监控和预防：定期监控应用程序的线程情况，以及线程转储文件，以便在早期发现和解决问题。采取预防措施，如合理的锁策略、避免死锁、资源池管理等，以减少线程问题的发生。

线程转储分析通常需要一定的经验和技能，特别是在处理复杂的多线程应用程序时。性能分析工具可以大大简化这个过程，并提供更多的可视化信息，有助于更快地定位和解决问题。

30. 什么是CPU占用高（High CPU Usage）问题？如何排查？

答：CPU占用高（High CPU Usage）问题是指应用程序或进程占用了大量的CPU资源，导致系统负载升高、性能下降或系统变得不响应。要排查高CPU占用问题，可以采取以下步骤：

• 监控CPU使用率：使用系统监控工具（如top、htop、Windows任务管理器）来检查哪个进程或线程占用了大量的CPU资源。

• 查看线程转储：如果CPU占用问题与多线程应用程序相关，生成线程转储并查看问题线程的堆栈跟踪，以了解问题的代码路径。

• 分析代码：确定占用CPU的代码部分。查看哪些方法或循环消耗了大量的CPU时间。

• 检查循环：查看是否存在无限循环或非预期的循环条件，这可能导致CPU占用问题。

• 检查阻塞操作：查看是否存在长时间的阻塞操作，例如等待网络或文件系统操作，这可能导致CPU资源浪费。

• 使用性能分析工具：使用性能分析工具（如VisualVM、JProfiler、YourKit）来更详细地分析CPU占用问题。这些工具可以提供更多的可视化数据和分析功能。

• 优化代码：根据分析结果采取必要的措施来优化代码，减少CPU占用。这可能包括改进算法、减少不必要的计算或循环、并行化任务等。

• 避免不必要的轮询：如果应用程序中存在轮询机制，尽量避免过于频繁的轮询，采用事件驱动或异步机制。

• 增加硬件资源：如果必要，增加CPU核心数量或升级硬件来缓解CPU占用问题。

通过以上步骤，您可以确定高CPU占用问题的原因，并采取适当的措施来解决问题，从而提高应用程序的性能。