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什么是JVM?

定义：Java Virtual Machine java程序的运行环境（更确切：java二进制字节码的运行环境）
好处：
- 一次编写，到处运行的基石（跨平台）
- 自动内存管理，垃圾回收功能（垃圾回收处理堆内存的无用对象）
- 数组下标越界检查
- 多态
比较：Jvm Jre Jdk的关系

JVM的内存结构

程序计数器（PC）

1. 定义

Program Counter Register 使用寄存器实现

2. 作用：

记住下一条jvm指令的执行地址

3. 特点：

线程私有：每一个线程都是独立的，都有自己的时间片，以及自己的程序计数器
不会存在内存溢出

虚拟机栈

1. 定义（java virtual machine stacks）

每个线程运行时所需要的内存称为虚拟机栈，线程私有
栈由多个栈帧（Frame）组成，每个栈帧对应一次方法调用。
每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的那个方法（人话：栈顶）

2. 问题辨析：

垃圾回收是否涉及栈内存？
- 不涉及。虚拟机栈随着方法调用自动创建和销毁，不由 GC 管理。
栈内存分配越大越好吗？
- 大栈空间意味着系统能够同时创建的线程数减少，影响并发能力。比如栈空间1m，物理内存500m，可以跑500个线程，但如果栈空间2m，只能跑250个线程。
- 上下文切换开销大，线程切换需要保存/恢复上下文信息。
- 若程序调用栈不深，反而浪费内存。
方法内的局部变量是否是线程安全的？（判断是否是线程安全要看变量是否是共享/私有的）
- 如果方法内局部变量没有逃离方法的作用访问，它是线程安全的
- 如果是局部变量引用了对象，并逃离方法的作用方法，需要考虑线程安全

3. 栈内存溢出

方法调用层级过深（递归未终止）导致栈帧过多。
单个栈帧过大（如定义超大数组、局部变量过多）导致内存耗尽。

本地方法栈

native method，不是由java代码编写的方法，由c/c++实现。用本地方法接口

堆

1. 定义（Heap）

通过new关键字创建的对象都会使用堆内存
是JVM中最大的一块内存区域，用于存储所有对象实例和数组。

2. 特点

线程共享：多个线程可以访问堆中的同一对象，需考虑线程安全问题。
由垃圾回收器管理：GC 自动清理无引用对象，回收内存空间。

3. 堆内存溢出（OutOfMemoryError: Java heap space）

只要new出来的对象还在被使用，就不会被回收，一直在添加，最后会溢出。

方法区（Method Area）

1. 定义

JVM 内存结构的一部分，用于存储类的元数据信息，包括：
- 类的结构（字段、方法、接口等）
- 常量池（如字符串字面量、符号引用）
- 静态变量
- 类的代码（字节码）、JIT 编译后的代码等

2. 特点

所有线程共享；
属于 JVM 规范中规定的逻辑区域；
在 HotSpot 虚拟机中，早期称为 永久代（PermGen），从 JDK 8 起被 元空间（Metaspace） 取代；
元空间使用 本地内存（非堆内存）进行分配；
方法区也会发生内存溢出，例如：动态加载大量类时抛出 OutOfMemoryError: Metaspace。

3. 常见用途

类加载（包括反射、代理等）
存放静态成员和常量
热点代码编译缓存（如 JIT 编译结果）

4. 简洁记忆

方法区用于存放类信息、常量、静态变量，是线程共享的逻辑区域，从 JDK 8 起由元空间替代。

5. 运行时常量池

常量池，就是一张表，虚拟机指令根据这张常量表找到要执行的类名、方法名、参数类型、字面量等信息
.class 文件里有一张“常量池表”（静态的）；加载这个类时，这张表内容就复制进 JVM 的运行时常量池；JVM 执行方法时，所有的名字、字面量、描述信息都要从这里查；它就像“JVM的大字典”，翻译代码里各种符号，让它知道具体地址和内容。

StringTable（串池）

StringTable特性
在预编译的时候会创建常量池，将字符串都添加进常量表中，比如s1,s2,s3就会被添加进串池里，s4的时候使用拼接字符串，其实底层调用了StringBuilder的append方法，new出了一个StringBuilder对象，一个在方法区，一个在堆区，他们所指向的对象不同，比较结果自然false；
如果使用equals，只需要比较值，如果使用==，需要比较值和指向的对象

public static void main(String[] args) {
        String s1 = "a";
        String s2 = "b";
        String s3 = "ab";
        String s4 = s1+s2;
        String s5 = s1+s2;
        String s6 = "ab";
        System.out.println(s4==s5);
        System.out.println(s3==s6);
    }v

一句话总结： == 比较的是“是不是同一个人”，.equals() 比较的是“名字是不是一样”。

常量池中的字符串仅是符号，第一次用到时才成为对象
利用串池的机制，来避免重复创建字符串对象
字符串变量拼接的原理是StringBuilder(1.8)
字符串常量拼接的原理是编译器优化 “a”+”b” 直接优化成 “ab”
可以使用intern方法，主动将串池中还没有的字符串放进串池。
- s.intern() 尝试将字符串s的内容放入常量池，如果常量池里有s，那就返回常量池的内容；如果常量池中没有s，就将s添加进入常量池，并返回常量池中的s

StringTable位置

垃圾回收 GC（垃圾回收）的目的就是自动释放内存，防止内存泄漏和程序崩溃。

1.如何判断一个对象可以被回收

1. 引用计数法

循环引用会导致内存泄漏

2. 可达性分析算法

1.原理：

夏天吃葡萄，拎起一串葡萄，如果在根上的就不是垃圾，不能被回收；掉落下来的可以回收。

Java虚拟机中的垃圾回收器采用可达性分析来探索所有存活对象
扫描堆中的对象，看是否能够沿着GC Root对象为起点的引用链找到该对象，找不到表示可以回收。
哪些对象可以作为GC Root？

2. 四种（+一个终结器）引用

1. 强引用（Strong Reference）

最常见、默认的引用方式，例如：Object obj = new Object();
只要强引用还存在，对象永远不会被 GC 回收
应用场景：日常代码中创建对象时默认的引用类型

2. 软引用（Soft Reference）

使用类：SoftReference<T>
当内存不足时才会被 GC 回收，适合做缓存
示例：图片缓存、内存敏感对象
应用场景：避免 OOM 时自动释放内存

3. 弱引用（Weak Reference）

使用类：WeakReference<T>
一旦 GC 运行，无论内存是否足够，都会被回收
示例：ThreadLocal 中的值、WeakHashMap
应用场景：辅助结构、缓存，但对象生命周期短

4. 虚引用（Phantom Reference）

使用类：PhantomReference<T> + ReferenceQueue<T>
无法通过引用获取对象，仅用于监听对象是否即将被 GC 回收
应用场景：资源清理、DirectMemory 手动释放等高级用途

5. 终结器引用（Finalizer / Cleaner）

一种过时的引用机制，依赖 finalize() 方法
对象在被 GC 回收前，会被加入 Finalizer 队列，并延迟处理
缺点：性能差、不可控、不推荐使用
JDK 9+ 推荐使用 java.lang.ref.Cleaner 替代

记忆口诀：强软弱虚，越来越容易被回收；终结器引用用于回收通知，但现在被 Cleaner 替代。
GC 就是根据“引用关系”判断对象是否还能活着；没有引用的对象，才是“垃圾”。

2.垃圾回收算法

1.标记清除

基本思想：从 GC Roots 出发，标记所有可达对象；标记完成后，清除未被标记的对象。
优点：速度快
缺点：内存碎片太多，内存空间不连续。

2.标记整理

基本思想：先从 GC Roots 出发标记所有可达对象，然后将存活对象向一端移动，最后清理掉边界以外的无效内存。
优点：碎片化消失
缺点：效率降低，因为涉及地址的移动

3.复制

基本思想：将内存分为两块等大小的区域（from 和 to）。每次 GC 时，从 GC Roots 标记存活对象，然后将其复制到另一块空间（to），保持连续分布，最后清空 from 区并交换角色。
优点：避免碎片化
缺点：双倍空间

3. 分代垃圾回收（Generational Garbage Collection）

Java 堆内存被划分为两大区域：

新生代（Young Generation）
- 包括三部分：伊甸园区、Survivor From 区、Survivor To 区
- 采用 复制算法 进行垃圾回收
老年代（Old Generation）
- 存放存活时间长、经过多次 GC 仍未回收的对象
- 通常采用 标记-整理算法
  
  类比比喻：新生代 = 日常清理，老年代 = 每年大扫除

新生代回收流程（Minor GC）：

所有新对象优先分配在 Eden 区；
当 Eden 区满了，就触发一次 Minor GC；
GC 时，将 Eden 和 From 区存活的对象复制到 To 区，并对象年龄+1；
From 和 To 区角色互换（类似复制算法）；
若对象年龄超过一定阈值（如 15 次），就晋升到老年代。

老年代回收流程（Full GC）：

如果老年代空间不足，先尝试触发 Minor GC；
如果仍不足，将触发一次 Full GC，同时回收新生代和老年代；
Full GC 开销大，伴随 Stop The World（STW），影响性能更显著。

额外说明：

Minor GC：发生频率高，时间短，只回收新生代；会触发一次stop the world
Full GC：发生频率低，时间长，会暂停所有线程。

💡 新生代回收通常使用“复制算法”，老年代回收通常使用“标记-整理算法”。

类加载（ClassLoader）

JMM（Java Memory Modle）

java内存模型，JMM定义了一套在多线程读写共享数据时（成员变量，数组）时，对数据的可见性、有序性和原子性的规则和保障。

为什么要加锁

可见性问题：CPU的速度高，当CPU修改了缓存中的数据但还没写回主存时，线程B读取了主存中的数据，就发生了数据读写冲突。一个线程修改了共享数据，但是另外一个线程无法立刻获取到最新的共享数据
有序性问题：CPU或编译器对指令进行重排序，导致代码执行顺序和书写顺序不一致。

synchronized编译后是monitor enter和monitor exit两个指令
- monitor enter（加锁）会使用读屏障，强行从主存重新读取数据，保证数据是最新的
- monitor exit（解锁）会使用写屏障，强行将缓存中的变量刷新到主存中

锁升级

为什么要做锁升级

java线程模型是一对一的，每一个线程调用都涉及到操作系统的从用户态到内核态的转换，开销很大。所以在低并发的情况下就不让你阻塞，只要不阻塞，就不用有切换状态。并发量高的时候再去阻塞。如：购物软件凌晨低并发，周末，晚上休息时间高并发。
为了降低低并发情况下获得锁的代价，为了提高低并发时候的性能

那为什么会慢？

synchronized说到底层还是要调用操作系统的原语mutex，然后又涉及到线程的阻塞与唤醒

状态演变

偏向锁

最开始是无锁状态，当有第一个线程来访问同步代码块时，JVM将对象头的Mark Word锁标志位设置为偏向锁，然后将线程id记录到markword中。偏向锁考虑只有一个线程抢锁的场景。

轻量级锁

当第二个线程来抢锁就升级为轻量级锁，第二个线程拿不到锁就采用CAS + 自旋不断尝试重复获得锁
为什么要有轻量级锁？

考虑的是竞争锁的线程不多，而且线程持有锁的时间也不长。都没有进行上下文切换以及操作系统级的线程阻塞和切换

重量级锁

当第二个线程自旋到一定次数之后还没获得锁，或者有别的线程也来抢锁了，那就升级为重量级锁。重量级锁加锁就需要调用操作系统的底层原语mutex，所以每次切换线程都需要操作系统从用户态切换成内核态，开销很大，所以称之为重量级锁。把那些没拿到锁的线程全都阻塞，当升级到重量级锁的时候，对象头的Markword指针就会指向锁监视器monitor。
为什么一定要升级为重量级锁？

因为自旋只适合于锁的竞争比较小，而且执行时间比较短的程序。要是大量线程都在自旋等待，CPU时间被浪费了。

锁监视器Monitor

锁监视器主要是用来负责记录锁的拥有者，记录锁的重入次数，负责线程的阻塞唤醒，锁监视器就是一个对象

class ObjectMonitior{
    void  *_owner; //锁拥有者
    WaitSet _WaitSet; //等待池（管理调用wait()方法的线程）
    EntryList _EntryList; //锁池（管理因竞争锁失败而阻塞的线程）
    int _recursions //记录锁重入次数
}

重入次数作用？
- 当一个线程重复去获取这个锁，这就是可重入锁，冲入一次++，释放一次–，减到0就是释放锁了。
锁池和等待池是干什么的？
- 在重量级锁状态下，当有线程拿到锁，此时监视器的owner字段就记录拿到锁的线程，没有拿到锁的就进入blocking状态，然后放到锁池中；当拿到锁的线程调用了wait()方法，那该线程就释放锁，然后进入waiting状态，然后被放到等待池中，然后某个线程调用了notify，唤醒了这个waiting线程，那这个线程就从waiting状态变成blocking状态，再被放入锁池中，重新去抢锁。
锁竞争失败的线程和调用了wait方法的线程有什么本质区别吗？不都是在阻塞等待吗，为什么要放在锁池和等待池？
- 锁池放的是竞争锁失败的线程，线程状态是blocking，他的目标是尽快去获得锁去执行任务，这是锁的互斥问题；等待池是主动放弃锁的进程，现在还暂时不想要锁，这个线程等待被其他线程唤醒后，他们的状态是waiting，是想等待其他资源到位了，然后再被notify唤醒，然后进入锁池中进行抢锁，这是锁通信问题。

CAS （Compare and Swap）体现乐观锁的思想

悲观锁

定义：认为并发访问肯定会出问题，凡是共享资源都必须加锁，线程没获得锁前会被阻塞。
缺点：
性能差，线程频繁上下文切换；
在大量读操作或低冲突场景下显得臃肿；
synchronized、ReentrantLock 属于典型的悲观锁。

Compare and Swap 对比，交换

乐观锁

假设线程A\B要访问一个资源，资源门口挂的门牌号是0（表空闲），A，B都想去访问，A先看到了门牌号的值是0，A拿到了CPU的时间片，对比了一下门牌号上还是0，等于old value，就将其改为1。对比门牌号上的值是否和自己第一次看到的值相同。这时B来到了门牌号前，发现自己的值是0但门牌号已经是1了，说明已经有线程去访问了资源，这时候有两个选择。1.可以自旋等待（while true），不断用CAS修改，直到线程B耐心耗尽。
概念：乐观锁就是当线程访问共享资源的时候，总是乐观的认为没有线程和它竞争，所以不会加锁，只是比较状态值是否和他的预期值相同，相等说明没有被其他线程修改，然后修改状态值并访问共享资源。
原子性：这是两步操作，如何确保呢？软件层面上无法实现，必须要硬件。
效率：因为没有使用synchronized，所以不会引发阻塞，效率提升的原因。CAS+volatile实现无锁并发
真的无锁吗？
- 在用户代码层面，CAS 不使用 synchronized 或 ReentrantLock 这类显式锁。
- 它通过 CPU 提供的原子指令（如 x86 架构中的 CMPXCHG 指令）实现对内存的原子读-改-写。
- 不会让线程进入阻塞状态（不会挂起、不会上下文切换）。
- 底层会锁总线防止其他CPU核心访问。
- 在硬件层面，CAS 其实会短暂锁住某些资源，只不过它是极快的、非阻塞的，不像软件锁那样代价高。
volatile 是 Java 中的一个关键字，用于修饰变量，主要用于多线程编程中的可见性问题。它的作用可以总结为：
- 保证内存可见性：当一个线程修改了某个 volatile 变量的值，其他线程能立刻看到这个变化。
- 禁止指令重排序（部分场景）：在 volatile 写操作前的代码不会被编译器或 CPU 移动到写操作之后。
  所以CAS保证原子性，volatile保证可见性
  数据库也可以使用CAS的思想

1	update 表名 set 库存 = 新值 where 库存 = 旧值

ABA问题
- 假设变量 x 原本是 A
- 线程 T1 读取 A，要改成 B
- 在这之间，T2 把 A 改成了 C 又改回 A
- T1 执行 CAS：发现 x 还是 A，就以为没变，结果错误更新
  
  Java 解决办法：加版本号（如 AtomicStampedReference）

面试问题

请你说说：JVM 的内存结构包括哪些区域？每个区域的作用分别是什么？你在项目中遇到过哪些内存相关的问题？

JVM包括以下几个区域
- 程序计数器PC：每个线程独有一个
- Java虚拟机栈：存储方法时调用的局部变量，方法调用信息，调用完成后就出栈
- 本地方法栈：为 JVM 执行 native 方法准备的栈空间。
- 堆：所有对象和数组的存储区，是 GC 的主要管理区域；
- 方法区：存储类的结构信息、常量池、静态变量等；方法区属于共享区域，不同线程共享。

JVM 中有哪些类型的垃圾回收（GC）？Minor GC 和 Full GC 有什么区别？你有没有在项目中遇到过频繁 GC 或性能问题的情况？是怎么排查和优化的？

JVM中有两种GC：Minor GC和Full GC

Minor GC：
- 只针对新生代（伊甸区和survivor区）进行回收
- 频率高，速度快，通常是伊甸区满了进行
- 回收后存活的对象进入老年代
Full GC：
- 回收范围是整个堆内存：包括新生代和老年代；
- 代价大，耗时长，可能会触发STW（Stop the world）暂停所有线程
- 通常是老年代满，方法区满

JVM中的双亲委派机制是什么？

双亲委派机制是JVM类加载器中的一种工作模式，它规定：类加载器在加载类的时候，会先把请求委托给父类加载器去尝试加载，只有当父类加载失败时，子类加载器才会自己加载。这样是为了避免类的重复加载。
就比如我自己假装定义一个String类，然后类加载器发现系统已经加载了“正版”的String类，就会直接使用，不会自定义加载我的盗版类。

讲一下java类加载的过程

加载（Loading）

根据类的全限定名，找到对应的.class文件并加载进内存，生成一个Class对象

连接（Linking）
1. 验证（Verify）：校验字节码是否合法（防止破坏jvm安全）
2. 准备（Prepare）：为静态变量分配内存，并赋初值
3. 解析（Resolve）：把常量池中的符号引用 解析为 直接引用（内存地址）
初始化（Initialization）

执行类的静态变量赋值和静态代码块，只有这一步会执行Java代码，是类加载的最后一步

讲一下抽象类和接口的区别

实例化：普通类可以直接实例化对象，而抽象类不能被实例化，只能被继承
继承：一个类可以继承一个普通类，而且可以继承多个接口；而一个类只能继承一个抽象类，但可以同时实现多个接口。
抽象类一般被用作基类，被其他类继承和扩展使用。
抽象类用于描述类的共同特性和行为，可以有成员变量、构造方法、具体方法，适用于有明显继承关系的场景
接口用于定义行为规范，可以多实现，适用于定义类的能力

什么是JVM?

JVM的内存结构

程序计数器（PC）

1. 定义

2. 作用：

3. 特点：

虚拟机栈

1. 定义（java virtual machine stacks）

2. 问题辨析：

3. 栈内存溢出

本地方法栈

堆

1. 定义（Heap）

2. 特点

3. 堆内存溢出（OutOfMemoryError: Java heap space）

方法区（Method Area）

1. 定义

2. 特点

3. 常见用途

4. 简洁记忆

5. 运行时常量池

StringTable（串池）

垃圾回收 GC（垃圾回收）的目的就是自动释放内存，防止内存泄漏和程序崩溃。

1.如何判断一个对象可以被回收

1. 引用计数法

2. 可达性分析算法

1.原理：

2. 四种（+一个终结器）引用

1. 强引用（Strong Reference）

2. 软引用（Soft Reference）

3. 弱引用（Weak Reference）

4. 虚引用（Phantom Reference）

5. 终结器引用（Finalizer / Cleaner）

2.垃圾回收算法

1.标记清除

2.标记整理

3.复制

3. 分代垃圾回收（Generational Garbage Collection）

新生代回收流程（Minor GC）：

老年代回收流程（Full GC）：

额外说明：

类加载（ClassLoader）

JMM（Java Memory Modle）

为什么要加锁

锁升级

状态演变

偏向锁

轻量级锁

重量级锁

锁监视器Monitor

CAS （Compare and Swap） 体现乐观锁的思想

面试问题

请你说说：JVM 的内存结构包括哪些区域？每个区域的作用分别是什么？你在项目中遇到过哪些内存相关的问题？

JVM 中有哪些类型的垃圾回收（GC）？Minor GC 和 Full GC 有什么区别？你有没有在项目中遇到过频繁 GC 或性能问题的情况？是怎么排查和优化的？

JVM中的双亲委派机制是什么？

讲一下java类加载的过程

讲一下抽象类和接口的区别

GC调优有用过吗？

CAS （Compare and Swap）体现乐观锁的思想