JVM 面试精选 20 题（续）

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JVM 面试精选 20 题

1. 什么是 Java 内存模型（JMM）？

解答：

Java 内存模型（Java Memory Model，JMM） 是 Java 虚拟机规范中定义的，用于抽象化计算机硬件内存模型，以解决多线程环境下对共享变量的访问问题。它定义了线程和主内存之间的关系，以及各种操作的可见性、有序性和原子性。

核心概念：

• 主内存（Main Memory）：所有线程共享的内存区域，包含了所有对象的实例数据。
• 工作内存（Working Memory）：每个线程私有的内存区域，保存了该线程使用到的变量在主内存中的副本。

JMM 规定了以下操作：

• lock 和 unlock：同步操作，确保同一时刻只有一个线程可以持有某个锁。
• read 和 load：将主内存中的变量值读取到线程的工作内存中。
• store 和 write：将工作内存中的变量值写回到主内存中。

JMM 通过定义一系列规则，确保在多线程环境下，对共享变量的读写操作是可预测的，避免了可见性、有序性等问题。

2. volatile 关键字的作用是什么？

解答：

volatile 关键字是 Java 虚拟机提供的最轻量级的同步机制。它主要有两个作用：

1. 保证可见性：当一个线程修改了 volatile 变量的值时，新值会立即同步到主内存中，并且其他线程的工作内存中的旧值会失效。因此，其他线程再次读取该变量时，会从主内存中获取最新值。
2. 保证有序性：volatile 禁止了指令重排序。它通过插入内存屏障（Memory Barrier）来确保在其之前的读写操作都已执行完成，并且在其之后的读写操作不会被提前执行。

需要注意的是：volatile 只能保证可见性和有序性，不能保证原子性。例如，i++ 操作并不是原子的，它包含“读取-修改-写入”三个步骤，如果多个线程同时操作，仍然会出错。要保证原子性，需要使用 synchronized 或 java.util.concurrent.atomic 包下的类。

3. synchronized 关键字的作用是什么？它的实现原理是？

解答：

synchronized 是 Java 中的一个同步关键字，它可以修饰方法或代码块，用于实现线程间的同步。它主要保证了三个特性：

1. 原子性：被 synchronized 包裹的代码块是不可分割的，要么执行完成，要么不执行。
2. 可见性：当一个线程执行完 synchronized 代码块后，对共享变量的修改会立即同步到主内存中，其他线程可以看到最新的值。
3. 有序性：synchronized 代码块内的指令不会发生重排序。

实现原理：
synchronized 的实现基于 Monitor（管程）。

• 修饰方法：JVM 通过在方法字节码中添加 ACC_SYNCHRONIZED 标志位来实现。当线程进入该方法时，会获取 Monitor 锁；当方法执行完成（无论正常退出还是异常退出）时，会释放 Monitor 锁。
• 修饰代码块：JVM 通过 monitorenter 和 monitorexit 字节码指令来实现。monitorenter 指令在进入同步代码块时执行，获取 Monitor 锁；monitorexit 指令在退出同步代码块时执行，释放 Monitor 锁。

4. 什么是偏向锁、轻量级锁和重量级锁？

解答：

这是 HotSpot JVM 为了提高 synchronized 的性能而采用的锁升级策略，锁的状态从无锁逐步升级，直到重量级锁。

• 偏向锁（Biased Locking）：

  • 适用场景：一个线程多次获取同一个锁。
  • 原理：当一个线程第一次获取锁时，JVM 会在对象头中记录该线程 ID，此后该线程进入同步代码块时，无需再次加锁，直接执行。
  • 升级：当另一个线程尝试获取该锁时，偏向锁会升级为轻量级锁。

• 轻量级锁（Lightweight Locking）：

  • 适用场景：在短时间内，多个线程交替获取锁，但没有竞争。
  • 原理：线程在自己的栈帧中创建锁记录（Lock Record），并将对象头的 Mark Word 复制到锁记录中。然后，通过 CAS（Compare-and-Swap）操作尝试将 Mark Word 替换为指向锁记录的指针。如果成功，则获取锁。
  • 升级：如果 CAS 失败（说明有多个线程在竞争），轻量级锁会升级为重量级锁。

• 重量级锁（Heavyweight Locking）：

  • 适用场景：多个线程在激烈竞争同一个锁。
  • 原理：依赖操作系统底层的 Mutex（互斥量）来实现。线程会阻塞并进入内核态，释放 CPU 资源。上下文切换的开销较大。

5. JVM 为什么要使用 CAS（Compare-and-Swap）？

解答：

CAS（Compare-and-Swap） 是一种乐观锁机制，它是一种无锁的、非阻塞的算法。

核心思想：它包含三个操作数：

• V（需要更新的变量值）
• A（预期的旧值）
• B（要更新的新值）

当且仅当 V 的值等于 A 时，才会将 V 的值更新为 B，否则不进行任何操作。

JVM 使用 CAS 的目的：

• 提高性能：CAS 是一种原子操作，由 CPU 硬件指令支持。它不需要像重量级锁那样，让线程阻塞、进入内核态，减少了上下文切换的开销。
• 实现无锁并发：通过 CAS，可以在不使用重量级锁的情况下，实现线程安全。例如，java.util.concurrent.atomic 包下的原子类，就是通过 CAS 来保证操作的原子性。

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6. JVM 中，方法区和永久代（PermGen）是什么关系？

解答：

方法区（Method Area） 是《Java 虚拟机规范》中定义的一块运行时数据区，用于存放类信息、常量、静态变量等。

永久代（Permanent Generation，PermGen） 是 HotSpot JVM 在 JDK 1.8 之前，对方法区的一种具体实现。它将方法区的数据放在了 Java 堆中。由于永久代有固定大小，因此容易发生 OutOfMemoryError: PermGen space。

JDK 1.8 后的变化：

• 在 JDK 1.8 中，永久代被彻底移除，取而代之的是 元空间（Metaspace）。
• 元空间 将方法区的数据存放到了本地内存中，而不是 JVM 堆中。
• 这样做的好处是，元空间的大小只受本地内存大小的限制，避免了永久代固定的内存大小带来的 OOM 问题。

7. JVM 为什么要将新生代分为 Eden、From Survivor 和 To Survivor 区？

解答：

为了提高复制算法的效率和内存利用率。

• 如果只用两个区（复制算法），内存利用率只有 50%。
• 如果分成 Eden、From Survivor 和 To Survivor 三个区：
  • Eden 区：大部分新创建的对象都分配在这里。
  • Survivor 区：用于存放经过一次 Minor GC 后仍然存活的对象。

GC 流程：

1. 新对象在 Eden 区创建。
2. 当 Eden 区满了，触发 Minor GC。
3. 存活的对象被复制到 To Survivor 区，并且年龄加 1。
4. From Survivor 区中存活的对象，如果年龄达到晋升老年代的阈值，则进入老年代；否则也复制到 To Survivor 区，年龄加 1。
5. 清空 Eden 区和 From Survivor 区。
6. 交换 From 和 To 的角色，保证每次 GC 都只使用一块 Survivor 区。

这种方式将复制算法的内存利用率提升到了 90%（Eden 区占 8/10，两个 Survivor 各占 1/10）。

8. 什么是 JVM 类加载器的层次结构？

解答：

Java 虚拟机默认有三个类加载器，它们之间是父子关系，遵循双亲委派模型：

1. 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：

   • 负责加载 <JAVA_HOME>/lib 目录下的核心类库，如 rt.jar。
   • 它不是 java.lang.ClassLoader 的子类，是用 C++ 实现的，所以无法在 Java 代码中直接获取它的引用。

2. 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：

   • 负责加载 <JAVA_HOME>/lib/ext 目录下的扩展类库。
   • 它的父类加载器是启动类加载器。

3. 应用程序类加载器（Application ClassLoader）：

   • 负责加载用户类路径（CLASSPATH）上的所有类。
   • 它的父类加载器是扩展类加载器。

9. 什么是 Java 中的常量池？

解答：

常量池 是 .class 文件中的一部分，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用。

分类：

• 静态常量池：.class 文件中的常量池。
• 运行时常量池：当类加载到内存中后，静态常量池中的内容会被加载到方法区（JDK 1.8 后是元空间）的运行时常量池中。

主要内容：

• 字面量：字符串字面量（"hello"）、final 变量等。
• 符号引用：类和接口的全限定名、字段的名称和描述符、方法的名称和描述符等。

运行时常量池具有动态性，可以在运行时将新的常量放入池中，例如 String.intern() 方法。

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10. 如何判断一个对象是否可以被回收？

解答：

主要有两种方式：

1. 引用计数算法（Reference Counting）：

   • 给每个对象添加一个引用计数器。当有一个地方引用它时，计数器加 1；引用失效时，计数器减 1。当计数器为 0 时，说明该对象可以被回收。
   • 缺点：无法解决对象之间循环引用的问题，导致内存泄漏。因此，JVM 不采用这种算法。

2. 可达性分析算法（Reachability Analysis）：

   • 从一系列被称为 GC Roots 的对象作为起点，向下搜索，形成一个引用链。
   • 如果一个对象无法从任何 GC Roots 节点到达，那么它就是不可达的，可以被回收。
   • GC Roots 包括：
     • 虚拟机栈中的引用对象。
     • 方法区中的静态变量和常量。
     • 本地方法栈中的引用。
     • 正在运行的线程对象。

11. G1 垃圾回收器的工作原理是什么？

解答：

G1（Garbage First） 是一款面向大内存服务器的垃圾回收器。其核心思想是将整个 Java 堆划分为多个大小相等的独立区域（Region），每个区域可以是 Eden、Survivor 或者 Old。

工作流程：

1. 初始标记（Initial Mark）：标记所有 GC Roots 能直接访问到的对象。会产生短暂的 STW。
2. 并发标记（Concurrent Mark）：从 GC Roots 开始，对堆中的对象进行可达性分析，此阶段 GC 线程与应用线程并发执行。
3. 最终标记（Final Mark）：修正并发标记期间因应用线程活动导致的对象引用变化。会产生短暂的 STW。
4. 筛选回收（Mixed GC）：G1 会根据回收效率（垃圾最多）和预设的停顿时间，选择部分区域进行回收。它采用复制算法，将存活对象复制到空的区域，同时完成垃圾回收。

G1 的优点：

• 可预测的停顿时间：可以设置期望的停顿时间（MaxGCPauseMillis），G1 会根据这个值来选择要回收的区域数量。
• 并行与并发：充分利用多核 CPU，减少 STW。
• 分代收集：G1 也是一种分代收集器，但它将新生代和老年代区域化，可以同时回收新生代和老年代的垃圾（Mixed GC）。
• 无内存碎片：G1 主要采用复制算法，因此不会产生内存碎片。

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12. JVM 中的 AOT 编译是什么？

解答：

AOT（Ahead-of-Time）编译，即预先编译。它是在程序运行之前，将 Java 字节码直接编译为本地机器码。这与 JIT 编译（运行时编译）是相对的。

AOT 的优点：

• 启动速度快：由于代码在运行前已经编译好，省去了 JIT 编译和解释执行的开销，程序启动非常迅速。
• 峰值性能高：由于在编译时可以进行更充分的优化，理论上可以达到更高的执行效率。

AOT 的缺点：

• 牺牲跨平台性：生成的本地机器码依赖于特定的操作系统和 CPU 架构。
• 动态性限制：无法在运行时进行一些动态优化，比如根据运行时信息调整代码执行路径。

13. JVM 中的本地方法接口（JNI）是什么？

解答：

JNI（Java Native Interface） 是 Java 平台标准的一部分，允许 Java 代码与运行在 JVM 上的其他语言（如 C、C++）代码进行交互。

主要作用：

• 调用本地方法：Java 程序可以通过 JNI 调用用其他语言编写的函数。
• 访问系统资源：Java 无法直接操作操作系统底层，可以通过 JNI 调用本地方法来访问操作系统资源，如文件系统、硬件设备等。

14. JVM 调优的步骤和思路是什么？

解答：

JVM 调优是一个系统性的过程，通常遵循以下步骤：

1. 监控与分析：

   • 使用 jstat、jstack、jmap、VisualVM 等工具监控 JVM 状态，收集 GC 日志、堆栈信息等。
   • 分析应用程序的性能瓶颈，是 CPU 密集型还是 IO 密集型？是内存泄漏还是 GC 频繁？

2. 确定目标：

   • 调优的目的是什么？是减少 Full GC 次数？减少 GC 停顿时间？还是提高吞吐量？

3. 参数调整：

   • 根据分析结果，调整 JVM 启动参数，如 -Xms、-Xmx、-Xmn、-XX:NewRatio 等。
   • 针对性地选择合适的垃圾回收器，例如：
     • 如果追求低延迟，选择 CMS 或 G1。
     • 如果追求高吞吐量，选择 Parallel Scavenge。

4. 代码优化：

   • 调优参数只是治标，根本原因在代码。
   • 检查代码是否存在内存泄漏，如未关闭的资源、未从集合中移除的对象。
   • 减少大对象的创建，尤其是频繁创建的临时大对象。
   • 优化算法和数据结构，减少不必要的对象创建。

5. 持续观察：

   • 每次调整后，重新进行监控，观察效果，不要一次调整太多参数。

15. JVM 的即时编译（JIT）和解释器有什么区别？

解答：

特性	解释器	JIT 编译器
执行方式	逐行翻译字节码并执行	将热点代码编译成机器码后执行
启动速度	快，无需等待编译	慢，需要时间编译
执行效率	慢，每次执行都需翻译	快，直接执行本地机器码
适用场景	程序启动初期，或不频繁执行的代码	频繁执行的热点代码
工作模式	解释执行	编译执行

现代 JVM 采用解释器和 JIT 编译器混合工作的模式，以平衡启动速度和运行效率。

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16. 说说 Minor GC 的过程。

解答：

Minor GC 发生在新生代，主要回收 Eden 区和 Survivor 区的垃圾。

1. 新对象分配：大多数新对象在 Eden 区中创建。
2. Eden 区满：当 Eden 区空间不足时，触发 Minor GC。
3. 标记存活对象：从 GC Roots 开始，标记所有 Eden 区和 From Survivor 区中存活的对象。
4. 复制：将所有存活的对象复制到 To Survivor 区。
5. 年龄递增：每经过一次 Minor GC 仍然存活的对象，其年龄（age）会加 1。
6. 晋升老年代：当对象的年龄达到某个阈值（默认 15）时，它们会被移到老年代。
7. 清空：清空 Eden 区和 From Survivor 区。
8. 角色交换：将 From Survivor 和 To Survivor 的角色互换。

17. 什么是 JVM 的分代收集？为什么分代？

解答：

分代收集 是基于**弱分代假说（Weak Generational Hypothesis）**的垃圾回收策略。

• 假说内容：绝大多数对象都是“朝生夕灭”的，存活时间很短。
• 为什么分代：根据这个假说，可以将堆分为两个或多个区域，每个区域根据其对象的特点采用不同的 GC 策略。
  • 新生代：存放新对象，对象存活率低，适合使用复制算法，效率高。
  • 老年代：存放存活时间长的对象，对象存活率高，适合使用标记-整理或标记-清除算法，减少移动开销。

这种分代策略使得 JVM 可以更高效地管理内存，显著减少 GC 停顿时间。

18. 如何判断 GC Roots？

解答：

GC Roots 是垃圾回收器进行可达性分析的起点。一个对象只要能通过引用链从任何一个 GC Roots 对象到达，它就是存活的。

常见的 GC Roots 对象包括：

• 虚拟机栈中引用的对象：如栈帧中的局部变量表。
• 本地方法栈中 JNI 引用的对象：即本地方法中使用的对象。
• 方法区中类静态属性引用的对象：如 static 变量。
• 方法区中常量引用的对象：如 String 常量池中的引用。
• 所有处于活动状态的线程对象。

19. JVM 的类加载器可以自定义吗？为什么？

解答：

可以自定义。

原因：

• 动态加载：比如我们编写的 Web 服务器，需要动态加载和卸载应用，这时就需要自定义类加载器。
• 隔离性：不同的应用程序可能依赖不同版本的同一个类库，自定义类加载器可以实现类之间的隔离，防止冲突。例如，Tomcat 服务器就是通过自定义类加载器来隔离不同 Web 应用的。
• 加密：为了防止反编译，可以将 .class 文件进行加密，然后编写自定义类加载器，在加载时对文件进行解密。

自定义类加载器只需继承 java.lang.ClassLoader 类，并重写 findClass() 方法。

20. 什么是 JVM 的 safepoint？

解答：

safepoint（安全点） 是 JVM 垃圾回收时的一个重要概念。它是程序执行中的一个特定位置，在这个位置上，所有线程的状态都是已知的，并且可以安全地进行 GC。

为什么需要 safepoint？

• GC 线程需要一个稳定的环境来执行，不能在应用线程随意执行时进行。
• 如果 GC 线程在应用线程执行一半时进行，可能会导致引用关系混乱，无法正确判断对象存活状态。

当 GC 发生时，JVM 会等待所有线程都运行到 safepoint，然后暂停所有线程（STW），进行 GC 操作。线程进入 safepoint 的方式有两种：

• 抢占式中断：GC 线程先中断所有线程，然后检查它们是否在 safepoint 上。如果不在，就恢复它们执行，直到它们运行到 safepoint 再暂停。
• 主动式中断：GC 线程在 safepoint 检查点上设置一个标志，每个线程在执行时，都会主动检查这个标志，如果被设置了，就主动挂起自己。HotSpot JVM 采用的是这种方式。