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金三銀四面試季節之Java 核心面試技術點 - JVM 小結

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摘要:直接對棧的操作只有兩個,就是對棧幀的壓棧和出棧。中將永久代移除,同時增加元數據區。在中,本地方法棧和虛擬機棧是在同一塊兒區域,這完全取決于技術實現的決定,并未在規范中強制。

原文:https://github.com/linsheng97...

描述一下 JVM 的內存區域

程序計數?(PC,Program Counter Register)。在 JVM 規范中,每個線程都有它自己的程序計數?,并且任何時間一個線程都只有一個方法在執行,也就是所謂的當前方法。程序計數?會存儲當前線程正在執行的 Java 方法的 JVM 指令地址;或者,如果是在執行本地方法,則是未指定值(undefined)。

Java 虛擬機棧(Java Virtual Machine Stack),早期也叫 Java 棧。每個線程在創建時都會創建一個虛擬機棧,其內部保存一個個的棧幀(Stack Frame),對應著一次次的 Java 方法調用。前面談程序計數?時,提到了當前方法;同理,在一個時間點,對應的只會有一個活動的棧幀,通常叫作當前幀,方法所在的類叫作當前類。如果在該方法中調用了其他方法,對應的新的棧幀會被創建出來,成為新的當前幀,一直到它返回結果或者執行結束。JVM 直接對 Java 棧的操作只有兩個,就是對棧幀的壓棧和出棧。棧幀中存儲著局部變量表、操作數(operand)棧、動態鏈接、方法正常退出或者異常退出的定義等。

堆(Heap),它是 Java 內存管理的核心區域,用來放置 Java 對象實例,幾乎所有創建的Java 對象實例都是被直接分配在堆上。堆被所有的線程共享,在虛擬機啟動時,我們指定的“Xmx”之類參數就是用來指定最大堆空間等指標。理所當然,堆也是垃圾收集?重點照顧的區域,所以堆內空間還會被不同的垃圾收集?進行進一步的細分,最有名的就是新生代、老年代的劃分。

方法區(Method Area)。這也是所有線程共享的一塊內存區域,用于存儲所謂的元(Meta)數據,例如類結構信息,以及對應的運行時常量池、字段、方法代碼等。由于早期的 Hotspot JVM 實現,很多人習慣于將方法區稱為永久代(Permanent Generation)。Oracle JDK 8 中將永久代移除,同時增加了元數據區(Metaspace)。

運行時常量池(Run-Time Constant Pool),這是方法區的一部分。如果仔細分析過反編譯的類文件結構,你能看到版本號、字段、方法、超類、接口等各種信息,還有一項信息就是常量池。Java 的常量池可以存放各種常量信息,不管是編譯期生成的各種字面量,還是需要在運行時決定的符號引用,所以它比一般語言的符號表存儲的信息更加寬泛。

本地方法棧(Native Method Stack)。它和 Java 虛擬機棧是非常相似的,支持對本地方法的調用,也是每個線程都會創建一個。在 Oracle Hotspot JVM 中,本地方法棧和 Java 虛擬機棧是在同一塊兒區域,這完全取決于技術實現的決定,并未在規范中強制。

造成OOM的原因有哪幾種?

堆內存不足是最常見的 OOM 原因之一,拋出的錯誤信息是“java.lang.OutOfMemoryError:Java heap space”,原因可能千奇百怪,例如,可能存在內存泄漏問題;也很有可能就是堆的大小不合理,比如我們要處理比較可觀的數據量,但是沒有顯式指定 JVM 堆大小或者指定數值偏小;或者出現 JVM 處理引用不及時,導致堆積起來,內存無法釋放等。

虛擬機棧和本地方法棧,這里要稍微復雜一點。如果我們寫一段程序不斷的進行遞歸調用,而且沒有退出條件,就會導致不斷地進行壓棧。類似這種情況,JVM 實際會拋出StackOverFlowError;當然,如果 JVM 試圖去擴展棧空間的的時候失敗,則會拋出OutOfMemoryError。

對于老版本的 Oracle JDK,因為永久代的大小是有限的,并且 JVM 對永久代垃圾回收(如,常量池回收、卸載不再需要的類型)非常不積極,所以當我們不斷添加新類型的時候,永久代出現OutOfMemoryError 也非常多見,尤其是在運行時存在大量動態類型生成的場合;類似 Intern 字符串緩存占用太多空間,也會導致 OOM 問題。對應的異常信息,會標記出來和永久代相關:“java.lang.OutOfMemoryError: PermGenspace

GC 算法

復制(Copying)算法,我前面講到的新生代 GC,基本都是基于復制算法,將活著的對象復制到 to 區域,拷貝過程中將對象順序放置,就可以避免內存碎片化。這么做的代價是,既然要進行復制,既要提前預留內存空間,有一定的浪費;另外,對于 G1 這種分拆成為大量 region 的 GC,復制而不是移動,意味著 GC 需要維護 region 之間對象引用關系,這個開銷也不小,不管是內存占用或者時間開銷。

標記 - 清除(Mark-Sweep)算法,首先進行標記工作,標識出所有要回收的對象,然后進行清除。這么做除了標記、清除過程效率有限,另外就是不可避免的出現碎片化問題,這就導致其不適合特別大的堆;否則,一旦出現 Full GC,暫停時間可能根本無法接受。

標記 - 整理(Mark-Compact),類似于標記 - 清除,但為避免內存碎片化,它會在清理過程中將對象移動,以確保移動后的對象占用連續的內存空間。

G1 垃圾回收器采用的是什么垃圾回收算法?

從 GC 算法的角度,G1 選擇的是復合算法,可以簡化理解為:

在新生代,G1 采用的仍然是并行的復制算法,所以同樣會發生 Stop-The-World 的暫停。

在老年代,大部分情況下都是并發標記,而整理(Compact)則是和新生代 GC 時捎帶進行,并且不是整體性的整理,而是增量進行的。

GC 調優思路

從性能的角度看,通常關注三個方面,內存占用(footprint)、延時(latency)和吞吐量(throughput),大多數情況下調優會側重于其中一個或者兩個方面的目標,很少有情況可以兼顧三個不同的角度。當然,除了上面通常的三個方面,也可能需要考慮其他 GC 相關的場景,例如,OOM 也可能與不合理的 GC 相關參數有關;或者,應用啟動速度方面的需求,GC 也會是個考慮的方面。
基本的調優思路可以總結為:

理解應用需求和問題,確定調優目標。假設,我們開發了一個應用服務,但發現偶爾會出現性能抖動,出現較長的服務停頓。評估用戶可接受的響應時間和業務量,將目標簡化為,希望 GC 暫停盡量控制在 200ms 以內,并且保證一定標準的吞吐量。

掌握 JVM 和 GC 的狀態,定位具體的問題,確定真的有 GC 調優的必要。具體有很多方法,比如,通過 jstat 等工具查看 GC 等相關狀態,可以開啟 GC 日志,或者是利用操作系統提供的診斷工具等。例如,通過追蹤 GC 日志,就可以查找是不是 GC 在特定時間發生了長時間的暫停,進而導致了應用響應不及時。

選擇的 GC 類型是否符合我們的應用特征,如果是,具體問題表現在哪里,是 Minor GC 過長,還是 Mixed GC 等出現異常停頓情況;如果不是,考慮切換到什么類型,如 CMS 和 G1 都是更側重于低延遲的 GC 選項。

通過分析確定具體調整的參數或者軟硬件配置。驗證是否達到調優目標,如果達到目標,即可以考慮結束調優;否則,重復完成分析、調整、驗證這
個過程。

如何提高JVM的性能?

新對象預留在年輕代

通過設置一個較大的年輕代預留新對象,設置合理的 Survivor 區并且提供 Survivor 區的使用率,可以將年輕對象保存在年輕代。

大對象進入年老代

使用參數-XX:PetenureSizeThreshold 設置大對象直接進入年老代的閾值

設置對象進入年老代的年齡

這個閾值的最大值可以通過參數-XX:MaxTenuringThreshold 來設置,默認值是 15

穩定的 Java 堆

獲得一個穩定的堆大小的方法是使-Xms 和-Xmx 的大小一致,即最大堆和最小堆 (初始堆) 一樣。

增大吞吐量提升系統性能

–Xmx380m –Xms3800m:設置 Java 堆的最大值和初始值。一般情況下,為了避免堆內存的頻繁震蕩,導致系統性能下降,我們的做法是設置最大堆等于最小堆。假設這里把最小堆減少為最大堆的一半,即 1900m,那么 JVM 會盡可能在 1900MB 堆空間中運行,如果這樣,發生 GC 的可能性就會比較高;
-Xss128k:減少線程棧的大小,這樣可以使剩余的系統內存支持更多的線程;
-Xmn2g:設置年輕代區域大小為 2GB;
–XX:+UseParallelGC:年輕代使用并行垃圾回收收集器。這是一個關注吞吐量的收集器,可以盡可能地減少 GC 時間。
–XX:ParallelGC-Threads:設置用于垃圾回收的線程數,通常情況下,可以設置和 CPU 數量相等。但在 CPU 數量比較多的情況下,設置相對較小的數值也是合理的;
–XX:+UseParallelOldGC:設置年老代使用并行回收收集器。

嘗試使用大的內存分頁

–XX:+LargePageSizeInBytes:設置大頁的大小。
內存分頁 (Paging) 是在使用 MMU 的基礎上,提出的一種內存管理機制。它將虛擬地址和物理地址按固定大小(4K)分割成頁 (page) 和頁幀 (page frame),并保證頁與頁幀的大小相同。這種機制,從數據結構上,保證了訪問內存的高效,并使 OS 能支持非連續性的內存分配。

使用非占有的垃圾回收器

為降低應用軟件的垃圾回收時的停頓,首先考慮的是使用關注系統停頓的 CMS 回收器,其次,為了減少 Full GC 次數,應盡可能將對象預留在年輕代。

system.gc() 的作用是什么?

gc()函數的作用只是提醒虛擬機:程序員希望進行一次垃圾回收。但是它不能保證垃圾回收一定會進行,而且具體什么時候進行是取決于具體的虛擬機的,不同的虛擬機有不同的對策。

Parallel GC、CMS GC、ZGC、Azul Pauseless GC最主要的不同是?背后的原理也請簡單描述下?

Parallel GC的Young區采用的是Mark-Copy算法,Old區采用的是Mark-Sweep-Compact來實現,Parallel執行,所以決定了Parallel GC在執行YGC、FGC時都會Stop-The-World,但完成GC的速度也會比較快。
CMS GC的Young區采用的也是Mark-Copy,Old區采用的是Concurrent Mark-Sweep,所以決定了CMS GC在對old區回收時造成的STW時間會更短,避免對應用產生太大的時延影響。
G1 GC采用了Garbage First算法,比較復雜,實現的好呢,理論上是會比CMS GC可以更高效,同時對應用的影響也很小。
ZGC、Azul Pauseless GC采用的算法很不一樣,尤其是Pauseless GC,其中的很重要的一個技巧是通過增加Read Barrier來更好的識別對GC而言最關鍵的references變化的情況。

什么時候執行ygc,fullgc?

當young gen中的eden區分配滿的時候觸發young gc,當年老代內存不足時,將執行Major GC,也叫 Full GC。

gc()函數的作用只是提醒虛擬機:程序員希望進行一次垃圾回收。但是它不能保證垃圾回收一定會進行,而且具體什么時候進行是取決于具體的虛擬機的,不同的虛擬機有不同的對策。

強引用、軟引用、弱引用、幻象引用有什么區別?具體使用場景是什么?

不同的引用類型,主要體現的是對象不同的可達性(reachable)狀態和對垃圾收集的影響。

所謂強引用("Strong" Reference),就是我們最常見的普通對象引用,只要還有強引用指向一個對象,就能表明對象還“活著”,垃圾收集器不會碰這種對象。對于一個普通的對象,如果沒有其他的引用關系,只要超過了引用的作用域或者顯式地將相應(強)引用賦值為 null,就是可以被垃圾收集的了,當然具體回收時機還是要看垃圾收集策略。

軟引用(SoftReference),是一種相對強引用弱化一些的引用,可以讓對象豁免一些垃圾收集,只有當 JVM 認為內存不足時,才會去試圖回收軟引用指向的對象。JVM 會確保在拋出OutOfMemoryError 之前,清理軟引用指向的對象。軟引用通常用來實現內存敏感的緩存,如果還有空閑內存,就可以暫時保留緩存,當內存不足時清理掉,這樣就保證了使用緩存的同時,不會耗盡內存。

SoftReference 在“弱引用WeakReference”中屬于最強的引用。SoftReference 所指向的對象,當沒有強引用指向它時,會在內存中停留一段的時間,垃圾回收器會根據 JVM 內存的使用情況(內存的緊缺程度)以及 SoftReference 的 get() 方法的調用情況來決定是否對其進行回收。

對于幻象引用(PhantomReference ),有時候也翻譯成虛引用,你不能通過它訪問對象。幻象引用僅僅是提供了一種確保對象被 finalize 以后,做某些事情的機制,比如,通常用來做所謂的 Post-Mortem 清理機制,如 Java 平臺自身 Cleaner 機制等,也有人利用幻象引用監控對象的創建和銷毀。

Object counter = new Object();
ReferenceQueue refQueue = new ReferenceQueue<>();
PhantomReference p = new PhantomReference<>(counter, refQueue);
counter = null;
System.gc();
try {
    // Remove 是一個阻塞方法,可以指定 timeout,或者選擇一直阻塞
    Reference ref = refQueue.remove(1000L);
    if (ref != null) {
        // do something
    }
} catch (InterruptedException e) {
    // Handle it
}
JVM類加載過程

一般來說,我們把 Java 的類加載過程分為三個主要步驟:加載、鏈接、初始化。
首先是加載階段(Loading),它是 Java 將字節碼數據從不同的數據源讀取到 JVM 中,并映射為 JVM 認可的數據結構(Class 對象),這里的數據源可能是各種各樣的形態,如 jar 文件、class 文件,甚至是網絡數據源等;如果輸入數據不是 ClassFile 的結構,則會拋出 ClassFormatError。加載階段是用戶參與的階段,我們可以自定義類加載?,去實現自己的類加載過程。

第二階段是鏈接(Linking),這是核心的步驟,簡單說是把原始的類定義信息平滑地轉化入 JVM 運行的過程中。這里可進一步細分為三個步驟:

驗證(Verification),這是虛擬機安全的重要保障,JVM 需要核驗字節信息是符合 Java 虛擬機規范的,否則就被認為是 VerifyError,這樣就防止了惡意信息或者不合規的信息危害 JVM 的運行,驗證階段有可能觸發更多 class 的加載。

準備(Preparation),創建類或接口中的靜態變量,并初始化靜態變量的初始值。但這里的“初始化”和下面的顯式初始化階段是有區別的,側重點在于分配所需要的內存空間,不會去執行更進一步的 JVM 指令。

解析(Resolution),在這一步會將常量池中的符號引用(symbolic reference)替換為直接引用。

最后是初始化階段(initialization),這一步真正去執行類初始化的代碼邏輯,包括靜態字段賦值的動作,以及執行類定義中的靜態初始化塊內的邏輯,編譯?在編譯階段就會把這部分邏輯整理好,父類型的初始化邏輯優先于當前類型的邏輯。

什么是雙親委派模型?

簡單說就是當類加載?(Class-Loader)試圖加載某個類型的時候,除非父加載?找不到相應類型,否則盡量將這個任務代理給當前加載?的父加載?去做。使用委派模型的目的是避免重復加載 Java 類型。

類加載器的類型

啟動類加載?(Bootstrap Class-Loader),加載 jre/lib 下面的 jar 文件,如 rt.jar。它是個超級公民,即使是在開啟了 Security Manager 的時候,JDK 仍賦予了它加載的程序 AllPermission。

擴展類加載?(Extension or Ext Class-Loader),負責加載我們放到 jre/lib/ext/ 目錄下面的 jar 包,這就是所謂的 extension 機制。該目錄也可以通過設置 “java.ext.dirs”來覆蓋。

應用類加載?(Application or App Class-Loader),就是加載我們最熟悉的 classpath

上下文類加載器

Java 提供了很多服務提供者接口(Service Provider Interface,SPI),允許第三方為這些接口提供實現。常見的 SPI 有 JDBC、JCE、JNDI、JAXP 和 JBI 等。這些 SPI 的接口由 Java 核心庫來提供,而這些 SPI 的實現代碼則是作為 Java 應用所依賴的 jar 包被包含進類路徑(CLASSPATH)里。SPI接口中的代碼經常需要加載具體的實現類。那么問題來了,SPI的接口是Java核心庫的一部分,是由啟動類加載器(Bootstrap Classloader)來加載的;SPI的實現類是由系統類加載器(System ClassLoader)來加載的。引導類加載器是無法找到 SPI 的實現類的,因為依照雙親委派模型,BootstrapClassloader無法委派AppClassLoader來加載類。而線程上下文類加載器破壞了“雙親委派模型”,可以在執行線程中拋棄雙親委派加載鏈模式,使程序可以逆向使用類加載器。

ServiceLoader 的加載代碼:

public static  ServiceLoader load(Class service) {
    ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
    return ServiceLoader.load(service, cl);
}

ContextClassLoader默認存放了AppClassLoader的引用,由于它是在運行時被放在了線程中,所以不管當前程序處于何處(BootstrapClassLoader或是ExtClassLoader等),在任何需要的時候都可以用Thread.currentThread().getContextClassLoader()取出應用程序類加載器來完成需要的操作。

自定義類加載器

自定義類加載?,常見的場景有:

實現類似進程內隔離,類加載?實際上用作不同的命名空間,以提供類似容?、模塊化的效果。例如,兩個模塊依賴于某個類庫的不同版本,如果分別被不同的容?加載,就可以互不干擾。這個方面的集大成者是Java EE和OSGI、JPMS等框架。

應用需要從不同的數據源獲取類定義信息,例如網絡數據源,而不是本地文件系統。

需要自己操縱字節碼,動態修改或者生成類型

從本地路徑 load class 的例子:

public class CustomClassLoader extends ClassLoader {
 
    @Override
    public Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        byte[] b = loadClassFromFile(name);
        return defineClass(name, b, 0, b.length);
    }
 
    private byte[] loadClassFromFile(String fileName)  {
        InputStream inputStream = getClass().getClassLoader().getResourceAsStream(
                fileName.replace(".", File.separatorChar) + ".class");
        byte[] buffer;
        ByteArrayOutputStream byteStream = new ByteArrayOutputStream();
        int nextValue = 0;
        try {
            while ( (nextValue = inputStream.read()) != -1 ) {
                byteStream.write(nextValue);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        buffer = byteStream.toByteArray();
        return buffer;
    }
}
動態代理的原理?

反射機制是 Java 語言提供的一種基礎功能,賦予程序在運行時自省(introspect,官方用語)的能力。通過反射我們可以直接操作類或者對象,比如獲取某個對象的類定義,獲取類聲明的屬性和方法,調用方法或者構造對象,甚至可以運行時修改類定義。 動態代理是一種方便運行時動態構建代理、動態處理代理方法調用的機制,很多場景都是利用類似機制做到的,比如用來包裝 RPC 調用、面向切面的編程(AOP)。 實現動態代理的方式很多,比如 JDK 自身提供的動態代理,就是主要利用了上面提到的反射機制。還有其他的實現方式,比如利用傳說中更高性能的字節碼操作機制,類似 ASM、cglib(基于 ASM)、Javassist 等。

如何使用JDK動態代理?
public class MyDynamicProxy {
    public static  void main (String[] args) {
        HelloImpl hello = new HelloImpl();
        MyInvocationHandler handler = new MyInvocationHandler(hello);
        // 構造代碼實例
        Hello proxyHello = (Hello) Proxy.newProxyInstance(HelloImpl.class.getClassLoader(), HelloImpl.class.getInterfaces(), handler);
        // 調用代理方法
        proxyHello.sayHello();
    }
}
interface Hello {
    void sayHello();
}
class HelloImpl implements  Hello {
    @Override
    public void sayHello() {
        System.out.println("Hello World");
    }
}
class MyInvocationHandler implements InvocationHandler {
    private Object target;
    public MyInvocationHandler(Object target) {
        this.target = target;
    }
    @Override
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args)
            throws Throwable {
        System.out.println("Invoking sayHello");
        Object result = method.invoke(target, args);
        return result;
    }
}
動態代理:JDK動態代理和CGLIB代理的區別?

JDK動態代理只能對實現了接口的類生成代理,而不能針對類,CGLIB是針對類實現代理,主要是對指定的類生成一個子類,覆蓋其中的方法(繼承)。

JDK Proxy 的優勢:

最小化依賴關系,減少依賴意味著簡化開發和維護,JDK 本身的支持,可能比 cglib 更加可靠。

平滑進行 JDK 版本升級,而字節碼類庫通常需要進行更新以保證在新版 Java 上能夠使用。

代碼實現簡單。

基于類似 cglib 框架的優勢:

有的時候調用目標可能不便實現額外接口,從某種角度看,限定調用者實現接口是有些侵入性的實踐,類似 cglib 動態代理就沒有這種限制。

只操作我們關心的類,而不必為其他相關類增加工作量。

高性能。

Spring在選擇用JDK還是CGLiB的依據是什么?

(1)當Bean實現接口時,Spring就會用JDK的動態代理
(2)當Bean沒有實現接口時,Spring使用CGlib是實現
(3)可以強制使用CGlib(在spring配置中加入

CGlib比JDK快?

(1)使用CGLib實現動態代理,CGLib底層采用ASM字節碼生成框架,使用字節碼技術生成代理類,比使用Java反射效率要高。唯一需要注意的是,CGLib不能對聲明為final的方法進行代理,因為CGLib原理是動態生成被代理類的子類。但是JDK也在升級,開始引入很多字節碼技術來實現部分動態代理的功能,所以在某些測試下不一定是CGLib更快。

Java 中操作字節碼的技術

ASM、Javassist、CGLib、Byte Budy。

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