《我想進大廠》之JVM奪命連環10問
這是面試專題系列第五篇JVM篇。
說說JVM的記憶體佈局？
Java虛擬機器主要包含幾個區域：
堆：堆Java虛擬機器中最大的一塊記憶體，是執行緒共享的記憶體區域，基本上所有的物件例項陣列都是在堆上分配空間。堆區細分為Yound區年輕代和Old區老年代，其中年輕代又分為Eden、S0、S1 3個部分，他們預設的比例是8:1:1的大小。
棧：棧是執行緒私有的記憶體區域，每個方法執行的時候都會在棧建立一個棧幀，方法的呼叫過程就對應著棧的入棧和出棧的過程。每個棧幀的結構又包含區域性變量表、運算元棧、動態連線、方法返回地址。
區域性變量表用於儲存方法引數和區域性變數。當第一個方法被呼叫的時候，他的引數會被傳遞至從0開始的連續的區域性變量表中。
運算元棧用於一些位元組碼指令從區域性變量表中傳遞至運算元棧，也用來準備方法呼叫的引數以及接收方法返回結果。
動態連線用於將符號引用表示的方法轉換為實際方法的直接引用。
元資料：在Java1.7之前，包含方法區的概念，常量池就存在於方法區（永久代）中，而方法區本身是一個邏輯上的概念，在1.7之後則是把常量池移到了堆內，1.8之後移出了永久代的概念(方法區的概念仍然保留)，實現方式則是現在的元資料。它包含類的元資訊和執行時常量池。
Class檔案就是類和介面的定義資訊。
執行時常量池就是類和介面的常量池執行時的表現形式。
本地方法棧：主要用於執行本地native方法的區域
程式計數器：也是執行緒私有的區域，用於記錄當前執行緒下虛擬機器正在執行的位元組碼的指令地址
知道new一個物件的過程嗎？
當虛擬機器遇見new關鍵字時候，實現判斷當前類是否已經載入，如果類沒有載入，首先執行類的載入機制，載入完成後再為物件分配空間、初始化等。
- 首先校驗當前類是否被載入，如果沒有載入，執行類載入機制
- 載入：就是從位元組碼載入成二進位制流的過程
- 驗證：當然載入完成之後，當然需要校驗Class檔案是否符合虛擬機器規範，跟我們介面請求一樣，第一件事情當然是先做個引數校驗了
- 準備：為靜態變數、常量賦預設值
- 解析：把常量池中符號引用(以符號描述引用的目標)替換為直接引用(指向目標的指標或者控制代碼等)的過程
- 初始化：執行static程式碼塊(cinit)進行初始化，如果存在父類，先對父類進行初始化
Ps：靜態程式碼塊是絕對執行緒安全的，只能隱式被java虛擬機器在類載入過程中初始化呼叫！(此處該有問題static程式碼塊執行緒安全嗎？)
當類載入完成之後，緊接著就是物件分配記憶體空間和初始化的過程
- 首先為物件分配合適大小的記憶體空間
- 接著為例項變數賦預設值
- 設定物件的頭資訊，物件hash碼、GC分代年齡、元資料資訊等
- 執行建構函式(init)初始化
知道雙親委派模型嗎？
類載入器自頂向下分為：
- Bootstrap ClassLoader啟動類載入器：預設會去載入JAVA_HOME/lib目錄下的jar
- Extention ClassLoader擴充套件類載入器：預設去載入JAVA_HOME/lib/ext目錄下的jar
- Application ClassLoader應用程式類載入器：比如我們的web應用，會載入web程式中ClassPath下的類
- User ClassLoader使用者自定義類載入器：由使用者自己定義
當我們在載入類的時候，首先都會向上詢問自己的父載入器是否已經載入，如果沒有則依次向上詢問，如果沒有載入，則從上到下依次嘗試是否能載入當前類，直到載入成功。
說說有哪些垃圾回收演算法？
標記-清除
統一標記出需要回收的物件，標記完成之後統一回收所有被標記的物件，而由於標記的過程需要遍歷所有的GC ROOT，清除的過程也要遍歷堆中所有的物件，所以標記-清除演算法的效率低下，同時也帶來了記憶體碎片的問題。
複製演算法
為了解決效能的問題，複製演算法應運而生，它將記憶體分為大小相等的兩塊區域，每次使用其中的一塊，當一塊記憶體使用完之後，將還存活的物件拷貝到另外一塊記憶體區域中，然後把當前記憶體清空，這樣效能和記憶體碎片的問題得以解決。但是同時帶來了另外一個問題，可使用的記憶體空間縮小了一半！
因此，誕生了我們現在的常見的年輕代+老年代的記憶體結構：Eden+S0+S1組成，因為根據IBM的研究顯示，98%的物件都是朝生夕死，所以實際上存活的物件並不是很多，完全不需要用到一半記憶體浪費，所以預設的比例是8:1:1。
這樣，在使用的時候只使用Eden區和S0S1中的一個，每次都把存活的物件拷貝另外一個未使用的Survivor區，同時清空Eden和使用的Survivor，這樣下來記憶體的浪費就只有10%了。
如果最後未使用的Survivor放不下存活的物件，這些物件就進入Old老年代了。
PS：所以有一些初級點的問題會問你為什麼要分為Eden區和2個Survior區？有什麼作用？就是為了節省記憶體和解決記憶體碎片的問題，這些演算法都是為了解決問題而產生的，如果理解原因你就不需要死記硬背了
標記-整理
針對老年代再用複製演算法顯然不合適，因為進入老年代的物件都存活率比較高了，這時候再頻繁的複製對效能影響就比較大，而且也不會再有另外的空間進行兜底。所以針對老年代的特點，通過標記-整理演算法，標記出所有的存活物件，讓所有存活的物件都向一端移動，然後清理掉邊界以外的記憶體空間。
那麼什麼是GC ROOT？有哪些GC ROOT？
上面提到的標記的演算法，怎麼標記一個物件是否存活？簡單的通過引用計數法，給物件設定一個引用計數器，每當有一個地方引用他，就給計數器+1，反之則計數器-1，但是這個簡單的演算法無法解決迴圈引用的問題。
Java通過可達性分析演算法來達到標記存活物件的目的，定義一系列的GC ROOT為起點，從起點開始向下開始搜尋，搜尋走過的路徑稱為引用鏈，當一個物件到GC ROOT沒有任何引用鏈相連的話，則物件可以判定是可以被回收的。
而可以作為GC ROOT的物件包括：
-
棧中引用的物件
-
靜態變數、常量引用的物件
-
本地方法棧native方法引用的物件
垃圾回收器瞭解嗎？年輕代和老年代都有哪些垃圾回收器？
年輕代的垃圾收集器包含有Serial、ParNew、Parallell，老年代則包括Serial Old老年代版本、CMS、Parallel Old老年代版本和JDK11中的船新的G1收集器。
Serial：單執行緒版本收集器，進行垃圾回收的時候會STW（Stop The World），也就是進行垃圾回收的時候其他的工作執行緒都必須暫停
ParNew：Serial的多執行緒版本，用於和CMS配合使用
Parallel Scavenge：可以並行收集的多執行緒垃圾收集器
Serial Old：Serial的老年代版本，也是單執行緒
Parallel Old：Parallel Scavenge的老年代版本
CMS（Concurrent Mark Sweep）：CMS收集器是以獲取最短停頓時間為目標的收集器，相對於其他的收集器STW的時間更短暫，可以並行收集是他的特點，同時他基於標記-清除演算法，整個GC的過程分為4步。
- 初始標記：標記GC ROOT能關聯到的物件，需要STW
- 併發標記：從GCRoots的直接關聯物件開始遍歷整個物件圖的過程，不需要STW
- 重新標記：為了修正併發標記期間，因使用者程式繼續運作而導致標記產生改變的標記，需要STW
- 併發清除：清理刪除掉標記階段判斷的已經死亡的物件，不需要STW
從整個過程來看，併發標記和併發清除的耗時最長，但是不需要停止使用者執行緒，而初始標記和重新標記的耗時較短，但是需要停止使用者執行緒，總體而言，整個過程造成的停頓時間較短，大部分時候是可以和使用者執行緒一起工作的。
G1（Garbage First）：G1收集器是JDK9的預設垃圾收集器，而且不再區分年輕代和老年代進行回收。
G1的原理了解嗎？
G1作為JDK9之後的服務端預設收集器，且不再區分年輕代和老年代進行垃圾回收，他把記憶體劃分為多個Region，每個Region的大小可以通過-XX：G1HeapRegionSize設定，大小為1~32M，對於大物件的儲存則衍生出Humongous的概念，超過Region大小一半的物件會被認為是大物件，而超過整個Region大小的物件被認為是超級大物件，將會被儲存在連續的N個Humongous Region中，G1在進行回收的時候會在後臺維護一個優先順序列表，每次根據使用者設定允許的收集停頓時間優先回收收益最大的Region。
G1的回收過程分為以下四個步驟：
- 初始標記：標記GC ROOT能關聯到的物件，需要STW
- 併發標記：從GCRoots的直接關聯物件開始遍歷整個物件圖的過程，掃描完成後還會重新處理併發標記過程中產生變動的物件
- 最終標記：短暫暫停使用者執行緒，再處理一次，需要STW
- 篩選回收：更新Region的統計資料，對每個Region的回收價值和成本排序，根據使用者設定的停頓時間制定回收計劃。再把需要回收的Region中存活物件複製到空的Region，同時清理舊的Region。需要STW
總的來說除了併發標記之外，其他幾個過程也還是需要短暫的STW，G1的目標是在停頓和延遲可控的情況下儘可能提高吞吐量。
什麼時候會觸發YGC和FGC？物件什麼時候會進入老年代？
當一個新的物件來申請記憶體空間的時候，如果Eden區無法滿足記憶體分配需求，則觸發YGC，使用中的Survivor區和Eden區存活物件送到未使用的Survivor區，如果YGC之後還是沒有足夠空間，則直接進入老年代分配，如果老年代也無法分配空間，觸發FGC，FGC之後還是放不下則報出OOM異常。
YGC之後，存活的物件將會被複制到未使用的Survivor區，如果S區放不下，則直接晉升至老年代。而對於那些一直在Survivor區來回複製的物件，通過-XX：MaxTenuringThreshold配置交換閾值，預設15次，如果超過次數同樣進入老年代。
此外，還有一種動態年齡的判斷機制，不需要等到MaxTenuringThreshold就能晉升老年代。如果在Survivor空間中相同年齡所有物件大小的總和大於Survivor空間的一半，年齡大於或等於該年齡的物件就可以直接進入老年代。
頻繁FullGC怎麼排查？
這種問題最好的辦法就是結合有具體的例子舉例分析，如果沒有就說一般的分析步驟。發生FGC有可能是記憶體分配不合理，比如Eden區太小，導致物件頻繁進入老年代，這時候通過啟動引數配置就能看出來，另外有可能就是存在記憶體洩露，可以通過以下的步驟進行排查：
- jstat -gcutil或者檢視gc.log日誌，檢視記憶體回收情況
S0 S1 分別代表兩個Survivor區佔比
E代表Eden區佔比，圖中可以看到使用78%
O代表老年代，M代表元空間，YGC發生54次，YGCT代表YGC累計耗時，GCT代表GC累計耗時。
[GC [FGC 開頭代表垃圾回收的型別
PSYoungGen: 6130K->6130K(9216K)] 12274K->14330K(19456K), 0.0034895 secs代表YGC前後記憶體使用情況
Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.00 secs，user表示使用者態消耗的CPU時間，sys表示核心態消耗的CPU時間，real表示各種牆時鐘的等待時間
這兩張圖只是舉例並沒有關聯關係，比如你從圖裡面看能到是否進行FGC，FGC的時間花費多長，GC後老年代，年輕代記憶體是否有減少，得到一些初步的情況來做出判斷。
- dump出記憶體檔案在具體分析，比如通過jmap命令jmap -dump:format=b,file=dumpfile pid，匯出之後再通過Eclipse Memory Analyzer等工具進行分析，定位到程式碼，修復
這裡還會可能存在一個提問的點，比如CPU飆高，同時FGC怎麼辦？辦法比較類似
- 找到當前程序的pid，top -p pid -H 檢視資源佔用，找到執行緒
- printf “%x\n” pid，把執行緒pid轉為16進位制，比如0x32d
- jstack pid|grep -A 10 0x32d檢視執行緒的堆疊日誌，還找不到問題繼續
- dump出記憶體檔案用MAT等工具進行分析，定位到程式碼，修復
JVM調優有什麼經驗嗎？
要明白一點，所有的調優的目的都是為了用更小的硬體成本達到更高的吞吐，JVM的調優也是一樣，通過對垃圾收集器和記憶體分配的調優達到效能的最佳。
簡單的引數含義
首先，需要知道幾個主要的引數含義。
- -Xms設定初始堆的大小，-Xmx設定最大堆的大小
- -XX:NewSize年輕代大小，-XX:MaxNewSize年輕代最大值，-Xmn則是相當於同時配置-XX:NewSize和-XX:MaxNewSize為一樣的值
- -XX:NewRatio設定年輕代和年老代的比值，如果為3，表示年輕代與老年代比值為1:3，預設值為2
- -XX:SurvivorRatio年輕代和兩個Survivor的比值，預設8，代表比值為8:1:1
- -XX:PretenureSizeThreshold 當建立的物件超過指定大小時，直接把物件分配在老年代。
- -XX:MaxTenuringThreshold設定物件在Survivor複製的最大年齡閾值，超過閾值轉移到老年代
- -XX:MaxDirectMemorySize當Direct ByteBuffer分配的堆外記憶體到達指定大小後，即觸發Full GC
調優
- 為了列印日誌方便排查問題最好開啟GC日誌，開啟GC日誌對效能影響微乎其微，但是能幫助我們快速排查定位問題。-XX:+PrintGCTimeStamps -XX:+PrintGCDetails -Xloggc:gc.log
- 一般設定-Xms=-Xmx，這樣可以獲得固定大小的堆記憶體，減少GC的次數和耗時，可以使得堆相對穩定
- -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError讓JVM在發生記憶體溢位的時候自動生成記憶體快照，方便排查問題
- -Xmn設定新生代的大小，太小會增加YGC，太大會減小老年代大小，一般設定為整個堆的1/4到1/3
- 設定-XX:+DisableExplicitGC禁止系統System.gc()，防止手動誤觸發FGC造成問題
- E