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为什么这11道JVM面试题这么重要（附答案）

博学谷狂野架构师 2023-04-19 原文

本文内容整理自 博学谷狂野架构师

运行时数据区都包含什么

虚拟机的基础面试题

  1. 程序计数器
  2. Java 虚拟机栈
  3. 本地方法栈
  4. Java 堆
  5. 方法区

程序计数器

程序计数器是线程私有的，并且是JVM中唯一不会溢出的区域，用来保存线程切换时的执行行数

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，可以看作是当前线程所执行字节码的行号指示器。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完成。

由于 Java 虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式实现的。为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要一个独立的程序计数器，各线程之间的计数器互不影响，独立存储。

  1. 如果线程正在执行的是一个 Java 方法，计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；
  2. 如果正在执行的是 Native 方法，这个计数器的值为空。

程序计数器是唯一一个没有规定任何 OutOfMemoryError 的区域

虚拟机栈

Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）是线程私有的，生命周期与线程相同。

虚拟机栈描述的是 Java 方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会创建一个栈帧（Stack Frame），存储

每一个方法被调用到执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程

组成部分
  • 局部变量表
  • 操作数栈
  • 动态链接
  • 方法出口
异常情况
  • StackOverflowError：线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度
  • OutOfMemoryError：虚拟机栈扩展到无法申请足够的内存时

本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stacks）为虚拟机使用到的 Native 方法服务

Java 堆

Java 堆（Java Heap）是 Java 虚拟机中内存最大的一块。Java 堆在虚拟机启动时创建，被所有线程共享。

作用：存放对象实例。垃圾收集器主要管理的就是 Java 堆。Java 堆在物理上可以不连续，只要逻辑上连续即可。

包含元素
  • 对象
  • 数组
  • 非静态变量
有什么异常
  • java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space：这种是java堆内存不够，一个原因是真不够，另一个原因是程序中有死循环
  • java.lang.OutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded：JDK6新增错误类型，当GC为释放很小空间占用大量时间时抛出

方法区

方法区（Method Area）被所有线程共享，用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

和 Java 堆一样，不需要连续的内存，可以选择固定的大小，更可以选择不实现垃圾收集。

垃圾回收算法有哪些

常用的垃圾回收算法有如下四种：标记-清除、复制、标记-整理和分代收集。

标记-清除算法

从算法的名称上可以看出，这个算法分为两部分，标记和清除。首先标记出所有需要被回收的对象，然后在标记完成后统一回收掉所有被标记的对象。

这个算法简单，但是有两个缺点：

  • 一是标记和清除的效率不是很高；
  • 二是标记和清除后会产生很多的内存碎片，导致可用的内存空间不连续，当分配大对象的时候，没有足够的空间时不得不提前触发一次垃圾回收。

执行过程如下图

复制算法

为了解决效率问题，一种称为“复制”（Copying）的收集算法出现了，他将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这块的内存用完了，就将还存活这的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。这样使得每次都是对整个半区进行内存回收，内存分配时也就不用考虑内存碎片等复杂情况，只要移动堆顶指针，按顺序分配内存即可，实现简单，运行高效。只是这种算法的代价是将内存缩小为了原来的一半，未免太高了一点。

优缺点

  • 优点：简单高效
  • 缺点：代价是将内存缩小为原来的一半，代价高

执行过程如下图

标记-整理算法

复制收集算法在对象存活率较高时就要进行较多的复制操作，效率将会变低。更关键的是如果不想浪费50%的空间就要使用额外的空间进行分配担保（Handle Promotion当空间不够时，需要依赖其他内存），以应对被使用的内存中所有对象都100%存活的极端情况

对于“标记-整理”算法，标记过程仍与“标记-清除”算法一样，但是后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有的存活对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存，”标记-整理“算法示意图如下：

标记-整理算法解决了复制算法多复制效率低、空间利用率低的问题，同时也解决了内存碎片的问题。

分代收集算法

根据对象生存周期的不同将内存空间划分为不同的块，然后对不同的块使用不同的回收算法。一般把Java堆分为新生代和老年代，新生代中对象的存活周期短，只有少量存活的对象，所以可以使用复制算法，而老年代中对象存活时间长，而且对象比较多，所以可以采用标记-清除和标记-整理算法。

判断对象是否有效

引用计数算法

给对象添加一个引用计数器，每当一个地方引用它时，数据器加1；当引用失效时，计数器减1；计数器为0的即可被回收。

  • 优点：实现简单，判断效率高
  • 缺点：很难解决对象之间的相互循环引用（objA.instance = objB; objB.instance = objA）的问题，所以java语言并没有选用引用计数法管理内存

根搜索算法

Java和C#都是使用根搜索算法来判断对象是否存活。通过一系列的名为“GC Root”的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索所有走过的路径称为引用链（Reference Chain）,当一个对象到GC Root没有任何引用链相连时（用图论来说就是GC Root到这个对象不可达时），证明该对象是可以被回收的。

在Java中这些对象可以成为GC Root：

  • 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中的引用对象
  • 方法区中的类静态属性引用的对象
  • 方法区中的常量引用对象
  • 本地方法栈中JNI（即Native方法）的引用对象

本文由传智教育博学谷狂野架构师教研团队发布。

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