关于JVM常见的十道面试题

Java中的引用类型有哪些？这些引用类型对应的使用场景有哪些？为什么要有这么多的引用类型？

在Java中，引用是指向对象在内存中存储位置的指针，引用类型主要是分为四种：强引用、软引用、弱引用、虚引用

1. 强引用：强引用指的是在程序代码之中普遍存在的，类似Object obj = new Object（）这类引用，只要强引用还存在，垃圾回收器就不会回收掉被引用的对象实例
   1. 使用场景：日常使用的new XXX（）创建的对象都是强引用1
2. 软引用：软引用是用来描述一些还有用但是不是必须的对象。对于软引用关联的对象，在系统中将要发生内存溢出之前，会把这些对象列入回收范围之中进行第二次回收。人如果这次回收还是没有足够的内存，才会抛出内存溢出异常。在JDK 1.2之后，提供了SoftReference类来实现软引用
   1. 使用场景:软引用通常是用来实现内存敏感的缓存，如果还有空闲内存，就可以暂时保留缓存，当内存不足的时候清理掉，这样就保证了使用缓存的同时，不会耗尽内存
3. 弱引用：弱引用也是用来描述非必须的对象的，它的强度要弱于软引用。被弱引用关联的对象之恶能生存到下一次垃圾回收之前。当垃圾回收器开始工作的时候，无论当前内存是否够用，都会回收掉弱引用关联的对象。在JDK 1.2之后提供了WeakReference类来实现弱引用
   1. 使用场景：维护一种非强制性的映射关系，如果试图获取对象还存在，就使用它，否则就重新实例化。例如ThreadLocal中的ThreaddLocal中的ThreadLocalMap使用的就是弱引用
4. 虚引用：虚引用也被称为幽灵引用或者幻影引用，不能通过它访问对象。幻想引用仅仅是提供一种确保对象被finalize以后，做某些事情的机制
   1. 使用场景：监控对象的创建和销毁

为什么要有这么多引用类型

这些引用类型为Java程序提供一种更加精细的内存管理手段，使得开发者可以根据应用程序的具体需求来调整对象的生命周期，特别是在处理大量数据缓存、资源管理和防止内存泄露等场景尤其重要

Java中的垃圾回收算法有哪些？它们各自有哪些优缺点？

垃圾回收是指自动管理程序中不再需要的内存的过程。在Java中，垃圾回收负责识别和释放不再适用对象所占用的内存空间，以便将其重新分配给新的对象使用。Java中常见的垃圾回收算法重要是有以下几种：

1. 标记-清除算法：标记-清除算法是最基础的收集算法。算法分为标记和清除两个阶段：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收所有被标记的对象，如下图：

   1. 

   • 优点：实现简单且执行效率相当高效
   • 缺点：会产生内存碎片问题，在标记清除之后会产生大量不连续的内存碎片，空间碎片太多可能会导致以后在程序运行中需要分配较大的对象时，无法找到足够连续内存而不得不提前出发另一次垃圾收集
2. 标记-整理算法：标记-整理算法也是分为两个阶段标记和整理，其中标记与上述相同，但是后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉
   • 优点：无内存碎片化问题
   • 缺点：执行效率比较低
3. 复制算法：复制算法是为了解决标记-整理的效率问题，它将可用内存按照容量分为大小相等的两块，每次只是用其中的一块。当这块内存需要进行垃圾回收时，会将此区域还存活着的对象复制到另一块上面，然后再把已经使用过的内存区域一次性清理掉。这样做的好处是每次都是对整个半区进行内存回收，内存分配时也就不需要考虑内存碎片化问题等复杂情况，只需要移动堆顶指针，按顺序分配即可。简单高效，运行高效
   • 优点：执行效率高
   • 缺点：空间利用率低
4. 分代算法：分代算法是通过区域划分的，实现不同区域和不同的垃圾回收策略，从而更好的垃圾回收
   • 优点：分而治之，不同场景实现不同的算法，整体的性能更高且空间效率高
   • 缺点：实现复杂度比较高

JVM中的常见垃圾回收器有哪些？

1. Serial/Serial Old：

   • 使用的是标记-整理（Mark-Compact）算法。
   • 在新生代中，使用标记-复制（Mark-Copy）算法。
   • 这些算法是基于停止-复制或者停止-整理的方法，在垃圾回收过程中会暂停所有应用程序线程。

2. ParNew：

   • ParNew是Serial的多线程版本，因此在新生代中也使用标记-复制（Mark-Copy）算法。
   • ParNew垃圾回收器可以与CMS垃圾回收器一起工作，在CMS旧代回收时使用。

3. Parallel Scavenge/Parallel Old：

   • Parallel Scavenge在新生代中使用标记-复制（Mark-Copy）算法，目标是达到一个可控的吞吐量。
   • Parallel Old在老年代中使用的是标记-整理（Mark-Compact）算法。

4. CMS (Concurrent Mark-Sweep)：

   • 使用的是并发标记和并发清除算法。
   • CMS垃圾回收器在尽量减少停顿时间的前提下进行垃圾回收，通过与应用程序并发执行标记和清除操作来实现。

5. G1 (Garbage-First)：

   • 使用的是分代垃圾回收算法，结合了标记-整理（Mark-Compact）和标记-清除（Mark-Sweep）的特性。
   • G1将堆内存划分为多个区域，并使用标记-整理和标记-清除操作来进行垃圾回收，以尽量减少停顿时间。

新生代指的是新创建的对象内存区域/老年代适用于存放长时间存活对象的内存区域 

CMS垃圾回收器有什么优缺点？它使用了什么算法？

CMS（并发标记清理）回收器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。目前很大一部分Java应用集中在互联网站或者B/S系统的服务端上，这类应用尤其重视服务的响应速度，希望系统停顿时间最短，已给用户带来更好的体验，CMS收集器就非常符合这类应用的需求

优点：低延迟、并发收集效率高

缺点：

产生内存碎片：因为CMS使用的是标记-清除算法，所以会产生内存碎片

CPU资源敏感：因为垃圾回收时虽然不会STW（停止），但是占用用户线程的CPPU资源，如果用户线程本身的CPU资源已经很吃紧了，那么此时在使用CMS无疑是雪山加霜

CMS如何解决内存碎片问题？它能使用标记-整理算法吗？为什么？

CMS并不能直接解决内存碎片的问题，因为CMS时使用的是标记-清除算法。但是当内存碎片比较多的时候（连续内存不足以申请大对象时），CMS会借助Serial Old垃圾回收执行内存碎片的回收工作，因Serial Old使用的是标记-整理算法，所以内存碎片问题就会得到解决

CMS可以使用标记-整理算法呢

不能，这是因为CMS最后一个阶段是并发清楚阶段，此阶段CMS垃圾回收回和用户线程并发执行，如果使用并发-整理算法需要移动内存位置，而此时用户线程只在执行，所以不能使用并发-整理算法

说一下CMS执行流程？它需要全局停顿（STW）几次？

CMS执行流程总共分为以下四个阶段：

1. 初始标记（STW）：GC Roots能直接关联的对象，执行速度很快
2. 并发标记（和用户线程并发执行）：GC Roots直接关联的对象继续往下（一直）遍历和标记，耗时会比较长
3. 重新标记（STW）：对上一步的并发标记阶段，因为用户线程执行而导致变动的对象进行修正标记
4. 并发清除（和用户线程并发执行）：使用并发-清除算法将垃圾对象进行删除

由此可以看出CMS执行的时候，一共有两次停顿

Old GC和Full GC有什么区别？JVM中的垃圾回收类型还有哪些？

Old GC是老年代垃圾回收，而Full GC是全局垃圾回收，区别如下：

Old GC（老年代垃圾回收）：Old GC又被称为Major GC。它主要是针对老年代内存区域进行垃圾回收，当老年代内存空间不足，或从新生代晋升的对象过多导致老年代无法容纳的时候，会发生Old GC。Old GC的发生频率是低于新生代GC，但是其执行时间通常是比新生代GC长的多

Full GC（全局垃圾回收会泽和完全垃圾回收）：Full GC是对整个堆内存（年轻代和老年代）、方法去进行全面的垃圾回收。发生Full GC的情况是较为复杂的，例如:老年代空间不足、元空间不足、System.gc(显式调用(不推荐)、CMS 并发标记失败后 fallback 到 Serial 0ld 收集器等。Full GC 的开销非常大，因为它涉及到了IVM 几乎所有的内存区域，因此应尽量避免不必要的 Ful GC，以减少系统停顿时间

所以说:Full GC=Minor GC+Major Gc+方法区 GC

JVM有哪些优化手段？说说JIT和逃逸分析？

JVM优化手段主要分为以下几种：

1. JIT（即时编译）：是一种在程序运行时将部分热点代码（频发使用的代码）编译成机器代码的技术，以提高程序的执行性能的机制
2. 逃逸分析：用于确定对象动态作用域是否超过当前方法或线程，通过逃逸分析，编译器可以决定一个对象的作用范围，从而进行相应的优化，但是确定对象没有逃逸时，可以进行以下优化：
   1. 栈上分配：如果编译器可以确定一个对象不会逃逸出方法，它可以将对象分配到栈上而不是堆上。在栈上的分配对象在方法返回后会自动销毁，不会进行垃圾回收，提高了程序执行效率
   2. 锁消除：如果对象只在单线程中使用，那么同步锁可能会被消除，提高程序性能
   3. 标量替换：将原本需要分配在堆上的对象拆分成若干基础数据类型存储在栈上，进一步减少堆空间的使用
3. 字符串池优化：JVM通过共享字符串常量，重用字符串对象，以减少内存占用和提升字符串操作性能

G1是如何分区的？

G1总共分为以下四个区域：

1. Eden（伊甸园区）：新创建的对象都会存储在此区域
2. Survivor（存活区）：eden经过GC（垃圾回收）之后存活的对象就会移动到此区域
3. Old（老年代）：经过n次GC之后还存活的对象
4. Humongous（巨型区）：用来存放大对象的，大对象会直接存放到此区域，当一个对象的大小超过 Region（内存） 的一半时(50%)，则该对象定义为大对象

G1和CMS有什么区别？

G1和CMS垃圾回收器都是HotSpot虚拟机最终的最常用的垃圾回收器。区别如下：

1. 回收算法
   1. G1：使用的是分代垃圾回收算法，结合了标记-整理（Mark-Compact）和标记-清除（Mark-Sweep）的特性。G1将堆内存划分为多个区域，并使用标记-整理和标记-清除操作来进行垃圾回收，以尽量减少停顿时间
   2. CMS：使用的是标记-清除算法。CMS垃圾回收器在尽量减少停顿时间的前提下进行垃圾回收，通过与应用程序并发执行标记和清除操作来实现
2. 停顿时间
   1. G1：G1回收器的设计目标之一是尽量减少垃圾回收造成的停顿时间，它通过在整个堆内存中采用并发标记、并发整理和并发清理等技术来实现。由于G1使用了区域化的垃圾回收策略，因此可以更好地控制垃圾回收的停顿时间
   2. CMS：CMS也致力于减少垃圾回收造成的停顿时间，但由于其并发清除阶段并不是完全并发的，可能会导致一些额外的停顿时间
3. 内存占用
   1. G1：G1的设计目标之一是减少内存碎片，通过区域化的垃圾回收策略和压缩空间的操作来提高内存的利用率，从而减少堆内存的占用。
   2. CMS：CMS的设计目标之一是最小化停顿时间，因此在内存利用率方面可能没有G1优秀。此外，由于CMS回收器在并发清除阶段可能会产生大量的空间碎片，可能会影响到堆内存的分配和使用