一、JVM内存区域划分

根据Java虚拟机规范，JVM内存结构如下：

1. 方法区

属于内存共享区域，存储被虚拟机加载的类信息，常量，静态变量，即时编译后的代码等数据。

2. 堆

这是JVM管理的内存最大的部分，线程共享，主要存放对象实例和数组。内部会划分出多个线程私有的分配缓冲区（线程工作区）。会抛出OutOfMemoryError。

3. 虚拟机栈

线程私有，生命和线程一致。描述的Java方法执行的内存模型：每个方法调用时，都会创建一个栈帧，用于存储局部变量表，操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每个方法从调用到结束，对应着一个栈帧的入栈和出栈。

4. 本地方法栈

区别于Java虚拟机栈，Java虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务；本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。

5. 程序计数器

线程私有，指向下一条需要执行的字节码指令。

6. 运行时常量池

属于方法区的一部分，用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用。intern()方法可以将常量放入池中。

二、垃圾回收

1. 如何判断对象是垃圾

在进行内存回收之前，首先的事情是要判断那些对象是可以回收的，那些是不可以回收的。

(1) 引用计数算法

​ 方法：通过判断对象的引用数量来决定对象是否可回收。

​ 具体实现：每一个对象都有一个引用计数器，被引用则+1，引用失效后-1。如果一个对象的引用为0，那么代表该对象可以被回收。

​ 优点：执行效率高

​ 缺点：无法解决循环引用的问题，导致内存泄漏

(2) 可达性分析方法

​ 方法：通过判断对象的引用链是否可达来决定对象是否可以被回收。

​ 具体实现：通过一系列的GC Root对象作为起点，从这些节点出发所走过的路径称为引用链，如果一个对象没有在引用链中，说明该对象可以被回收。

(3) 可以作为GC Root的对象

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

(4) Java中的引用类型

  • 强引用：任何时候都不会被回收，最常见的引用
  • **软引用(Soft Reference)**：只有当内存不足时才被回收
  • **弱引用(Weak Reference)**：只要发生垃圾回收（无论内存是否足够），弱引用指向的对象就被回收
  • 虚引用：任何时候都可能被垃圾收集器回收

2.垃圾回收算法

(1) 标记-清理算法

​ 标记：通过可达性分析，对存活的对象进行标记

​ 清理：对堆内存进行线性遍历，回收不可达对象的内存

​ 问题：出现内存碎片，效率不高

(2) 复制算法

​ 方法：将内存空间分为两块S1, S2，每次只使用其中的一块 S1，当S1内存不足时，就将该块空间中存货的对象复制到另一块S2。然后令S2作为当前的工作空间，S1进行全面清理。

​ 问题：总有一半的空间闲置，空间利用率低下。

​ 优点：不会产生空间碎片，直接复制，简单高效，适用于对象存活率低的场景（新生代）

​ 改进：由于大多数对象都是朝生熄灭，没有必要按1：1划分空间，可以分为一块较大的Eden区和两个较小的Survivor ，每次使用Eden和其中的一块Survivor。回收时，将存活的对象复制到闲置的Survivor区，然后清理Eden和Survivor空间。

(3) 标记-整理算法

​ 标记：通过可达性分析，对存活的对象进行标记

​ 整理：将所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存

​ 优点：不会产生空间碎片，不用浪费空间，适用于对象存活率高的场景（老年代）

​ 问题：效率比较低

(4) 分代回收算法

​ 根据对象的生命周期不同划分区域，各区域采用不同的垃圾回收算法，以提高JVM回收效率。JDK8及其以后版本将堆内存分为新生代和老年代：

​ 新生代：对象的生命周期短（1/3堆空间），大部分是朝生熄灭，采用复制算法回收。分为一块较大的Eden区和两个较小的Survivor区(一个from区，一个to区)（1：1：8），每次使用Eden和其中的一块Survivor（成为from区）。回收时，将存活的对象复制到闲置的Survivor区（即to区），然后清理Eden和Survivor空间（from区）。这里注意，对象总是首先在Eden区创建，如果Eden区不足，会在Survivor区创建。

​ 老年带：对象的生命周期长（2/3堆空间），采用标记-清除算法或标记-整理算法回收。

​ 对象如和晋升到老年代：经历一定Minor-GC次数依然存活的对象，Survivor区放不下的对象，新生成的较大对象。

（5）Gc的分类

​ Minor-GC:只回收新生代

​ Full-GC:新生代和老年带都回收（整个堆空间）

（6）触发Full-GC的条件

  • 老年代空间不足

  • 永久代空间不足（JDK7之前，永久代在堆上，JDK8以后，使用元空间替代了永久代，放到了内存中，降低Full-GC的频率）

  • CMS GC时出现promotion failed, concurrent mode failure

  • Minor-GC晋升到老年代的平均大小大于老年代的剩余空间

（7）stop-the-world

​ JVM由于执行垃圾回收而终止了应用程序的运行，在所有垃圾回收算法中都会发生，多数GC算法通过减少stop-the-world发生的时间来提高程序性能。

3.垃圾回收器

(1) Serial收集器（-XX:+UseSerialGC，复制算法）

  • 单线程收集，进行垃圾收集时，需要暂停所有工作线程（stop-the-world)

  • 简单高效，Client模式下默认的年轻代收集器。

(2) ParNew收集器(-XX:+UseParNewGC，复制算法)

  • 多线程进行垃圾回收，其余与Serial收集器一样。

  • 单核效率不如Serial，在多核下执行才有优势

(3) Parallel Scavenge收集器(-XX:+UseParallelGC，复制算法)

  • 比起更关注用户线程的停顿时间，更关注系统的吞吐量

  • 多核下才有优势，Server模式下的默认新生代垃圾收集器

(4) Serial Old收集器（-XX:+UseSerialOldGC，标记-整理）

  • 单线程收集，进行垃圾收集时，必须暂停其他工作线程。

  • 简单高效，Client模式下默认的老年代收集器。

  • 示意图见Serial老年代部分

(5)Parallel Old收集器(-XX:+UseParallelOldGC，标记-整理)

  • 吞吐量优先收集器，多线程，

  • 示意图见Parallel

(6) CMS收集器(-XX:+UseConcMarkSweepGC，标记-清理)–重点

  • 初始标记：标记GC Roots能直接关联到的对象，需要stop-the-world

  • 并发标记：并发地进行GC Roots Tracing，不会暂停应用程序

  • 重新标记：修正并发标记中变动地部分，需要stop-the-world

  • 并发清理：清理垃圾对象，不会暂停

(7) G1收集器(-XX:+UseG1GC，复制+标记-整理)–重点

  • 优点：并行并发、分代收集、空间整合、可预测地停顿

  • 将整个Java堆内存划分为多个大小相等地Region

  • 年轻代和老年代不再物理隔离

三、JVM调优

常用调优参数：

  • -XX:SurvivorRatio：Eden和Survivor的比值，默认8：1
  • -XX:NewRatio：老年代和新生代内存大小比值
  • -XX:MaxTenuingThresold：对象从新生代晋升到老年代经过的GC次数最大阈值

四、相关面试题

1. Object的finalize()方法是否和C++中地析构函数相同

不同，C++中的析构函数的调用是确定的，而finalize方法不一定会执行。

在java中，一个对象被回收要经历两次标记。如果对象通过GC Roots进行可达性分析后发现没有与引用链相连，就会被第一次标记，并且判断是否执行finalize方法，如果对象覆盖了finalize方法，且未被引用过，这个对象就会被放到F-Queue队列。虚拟机会有一个低优先级的线程区执行队列中对象的finalize方法。但是线程的优先级很低，并不保证finalize方法一定会执行。

finalize事实上是给与了对象一次最后重生的机会。

2. java中的强引用、软引用、弱引用、虚引用

  • 强引用: 被强引用指向的对象，一直不会被回收
  • 软引用：被强引用指向的对象，当虚拟机内存不足时，才会被回收
  • 弱引用：被弱引用指向的对象，只要发生垃圾回收，就会被回收
  • 虚引用：和不存在一样，随时可能被回收

3. 对象的创建过程

类加载阶段：

​ 加载：加载class文件

​ 验证：验证calss文件的正确性

​ 准备：为类变量分配内存并设置类变量初始值

​ 解析：将符号引用转为直接引用

​ 初始化：执行类中定义的Java程序代码，静态代码块