Java-JVM（9）

1. 请简单说说 JVM。2️⃣🫑

考点

JVM (全称 Java Virtual Machine)，即 Java 虚拟机。Java 虚拟机是 Java 实现跨平台的核心。

当我们点击运行程序的时候，编译器会将我们的 .java 源码文件编译成字节码文件（.class），接下来，JVM 会对字节码进行解释，将他们翻译成对应平台的机器指令，并运行。

除去 Java，Groovy、Kotlin、Scala 等语言也可以在 JVM 中运行。

2. 请说一下 JVM 的工作原理。3️⃣

考点

1. 类加载器：负责将Java类加载到JVM中，包括加载Java核心类库和用户自定义类‌。
2. 字节码执行引擎：将Java字节码转换为可执行的机器码，通常有两种方式：解释执行和即时编译‌。
3. 即时编译器：将频繁执行的字节码转换为本地机器码，以提高程序的执行效率‌。
4. 垃圾回收器：自动回收不再使用的对象内存，以避免内存泄露和程序崩溃‌。
5. 安全管理器：控制Java程序的访问权限，通过安全策略文件来规定程序可访问的资源和操作‌。

3. 请阐述一下类的生命周期。🔟🥜

装载阶段（Loading）

将 Java 类的字节码文件加载到机器内存中，并在内存中构建出 Java 类的原型——类模板对象。

类模板对象

所谓类模板对象，其实就是 Java 类在 JVM 内存中的一个快照，JVM 将从字节码文件中解析出的常量池、类字段、类方法等信息存储到类模板中，这样 JVM 在运行期便能通过类模板而获取 Java 类中的任意信息，能够对 Java 类的成员变量进行遍历，也能进行 Java 方法的调用。

作用：使得 Java 能够更加灵活地处理不同类型的对象，提高了代码的可重用性和可扩展性。

Class 类的构造方法是私有的，只有 JVM 能创建。

Class 实例的位置

在 Java 中，.class 文件加载到原空间(方法区)之后，会在堆内存中创建 java.lang.Class 对象，来封装类位于方法区的数据结构，而对象的引用则存储在栈（stack）内存中。栈内存用于保存局部变量和方法调用的上下文信息。对象的引用指向堆内存中实际存储对象数据的位置。

链接阶段（Linking）

• 验证(Verification)

当类加载到系统中，就开始链接操作，验证阶段就是为了验证加载的字节码是否符合规范。

• 准备(Preparation)

为静态变量分配并设置变量初始值。

当然，只有显式赋值或在静态代码块中赋值的变量才会生成 clinit 方法并执行，没有的话是不执行的。而且优先会执行父类的 clinit，然后才会执行子类的 clinit。

public static int number = 1;

在准备阶段，number 的值为 0，而不是 1。赋值为 1 的操作需要等到初始化阶段才被执行。

• 解析(Resolution)

解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程，解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用点限定符7类符号引用进行。

初始化阶段(Initialization)

初始化阶段是 JVM 类加载过程中的最后一个阶段，也是类加载过程中最重要的一环。

首先，初始化阶段会执行类构造器 clinit 方法，该方法是编译器自动生成的，用于对类的静态变量进行初始化。这个方法会按照静态变量的声明顺序执行，并且在多线程环境下保证线程安全。

其次，初始化阶段会执行静态初始化块中的代码，静态初始化块是在类加载时执行的一段代码，它可以用于对静态变量进行复杂的初始化操作，或者执行一些其他需要在类加载时完成的任务。

需要注意的是，初始化阶段是按照初始化顺序依次执行的，并且只会执行一次。如果一个类已经被初始化过了，那么在后续的加载过程中不会再次执行初始化阶段，即使有多个类加载器加载了相同的类也是如此。

初始化阶段的目的是确保类的静态变量被正确初始化，并且执行一些必要的初始化操作，以使类可以正常使用。在程序运行过程中，如果需要访问某个类的静态变量或者静态方法，那么这个类必须经过初始化阶段，否则会抛出 java.lang.ExceptionInInitializerError 异常。

到了这一阶段，类加载过程才真正完成，我们可以安心地使用这个类了。

注意

只有当对类的主动使用的时候才会导致类的初始化。

主动使用有如下几种方式

• new 对象时
• 读取静态变量或给静态变量重新赋值
• 调用静态函数
• 反射调用
• 子类初始化
• 虚拟机启动的时候，要初始化主类。

只有上述几种情况会触发初始化，也称为对一个类进行主动引用。

除此以外，有其他方式都不会触发初始化，称为被动引用。

eg：

• 子类引用父类的静态变量，不会导致子类初始化。
• 通过数组定义引用类，不会触发此类的初始化。
• 引用常量时，不会触发该类的初始化。

用 final 修饰某个类变量时，它的值在编译时就已经确定好放入常量池了，所以在访问该类变量时，等于直接从常量池中获取，并没有初始化该类。

使用(Using)

程序代码执行时使用，new出对象程序中使用。

类的卸载(Unloading)

程序代码退出、异常、结束等，执行垃圾回收。

4. JVM 有那些核心组成？8️⃣🧅

考点

• 类加载器

负责从文件系统、网络或其他来源加载 Class 文件，将 Class 文件中的二进制数据读入到内存当中。

• 运行时数据区

JVM 在执行 Java 程序时，需要在内存中分配空间来处理各种数据，这些内存区域主要包括方法区、堆、栈、程序计数器和本地方法栈。

• 执行引擎

执行引擎是 JVM 的心脏，负责执行字节码。它包括一个虚拟处理器，还包括即时编译器（JIT Compiler）和垃圾回收器（Garbage Collector）。

5. 类加载器有那些？执行顺序是什么？9️⃣🧄

考点

Java 中有四种类加载器，他们的执行顺序是：启动类加载器 -> 扩展类加载器 -> 系统类加载器 -> 自定义类加载器，详情如下：

• 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）

主要负责加载存放在 JAVA_HOME/jre/lib 下，或被 -Xbootclasspath 参数指定的路径下的，并且能被虚拟机识别的类库（如 rt.jar，所有的 java.* 开头的类均被 Bootstrap ClassLoader 加载），启动类加载器是无法被 Java 程序直接引用的。

• 扩展类加载器（Extension ClassLoader）

主要负责加载器由 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 实现，它负责加载 JAVA_HOME/jre/lib/ext 目录中，或者由 java.ext.dirs 系统变量指定的路径中的所有类库（如 javax.* 开头的类），开发者可以直接使用扩展类加载器。

• 系统类加载器（System ClassLoader）

主要负责加载器由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 来实现，它负责加载用户类路径（ClassPath）所指定的类，开发者可以直接使用该类加载器，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

• 自定义类加载器（Custom ClassLoader）

用户自定义的加载器。

6. 什么是双亲委派模型？🔟🥦

考点

双亲委派机制指的是：当一个类加载器接收到加载类的任务时，会自底向上查找是否加载过，如果没有加载过，再由顶向下进行加载。

每个 Java 实现的类加载器中保存了一个成员变量叫 Parent 类加载器。但是 Parent 加载器是和当前加载器是上下级关系，并不是继承关系。

在类加载的过程中，每个类加载器都会先检查是否已经加载了该类，如果已经加载则直接返回，否则会将加载请求委派给父类加载器。

之所以叫 双亲委派模型 其实就是翻译上的问题，Parent = 双亲。

拓展

扩展类加载器（Extension Class Loader）负责加载位于 JAVA_HOME/jre/lib/ext 目录下的 jar 文件，这些文件通常是 Java 平台的扩展库。由于这些扩展库通常包含的是 Java 平台的基础功能，为了保证这些基础功能的稳定性和安全性，扩展类加载器被设计为没有父类。

启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）是由 C++ 实现的，它是 jvm 中第一个被加载的类加载器。由于它是用 C++ 编写的，而不是 Java 语言，因此它没有父类。

此外，启动类加载器的设计使得它能够独立于 Java 类的继承结构，从而确保了JVM的核心功能的安全性和稳定性。由于它是最底层的类加载器，其他类加载器（如扩展类加载器和系统类加载器）都是通过委托机制来请求启动类加载器加载特定的类‌。

7. 如果一个类重复出现在三个类加载器的加载位置，应该由谁来加载？3️⃣

考点

启动类加载器加载，根据双亲委派机制，它的优先级是最高的。

拓展

如果三个类加载器都都无法成功加载类会怎么样？

直接报异常：ClassNotFountException。

8. 如何判断一个对象是否可被回收？8️⃣🥬

考点

引用计数算法：

给对象添加一个引用计数器，当对象增加一个引用时计数器加 1，引用失效时计数器减 1。

引用计数为 0 的对象可被回收。

两个对象出现循环引用的情况下，此时引用计数器永远不为 0，导致无法对它们进行回收。正因为循环引用的存在，因此 Java 虚拟机不使用引用计数算法。

可达性分析算法：

通过 GC Roots 作为起始点进行搜索，能够到达到的对象都是存活的，不可达的对象可被回收。

Java 中 GC Roots 一般包含以下内容:

1. 虚拟机栈中引用的对象
2. 本地方法栈中引用的对象
3. 方法区中类静态属性引用的对象
4. 方法区中的常量引用的对象

方法区的回收：

因为方法区主要存放永久代对象，而永久代对象的回收率比新生代低很多，因此在方法区上进行回收性价比不高。

主要是对常量池的回收和对类的卸载。

finalize：

finalize() 类似 C++ 的析构函数，用来做关闭外部资源等工作，但是该方法运行代价高昂，不确定性大，无法保证各个对象的调用顺序，因此最好不要使用。

我们可以使用 try-finally 等方式进行关闭外部资源，例如 IO 等。

当一个对象可被回收时，如果需要执行该对象的 finalize() 方法，那么就有可能通过在该方法中让对象重新被引用，从而实现自救。自救只能进行一次，如果回收的对象之前调用了 finalize() 方法自救，后面回收时不会调用 finalize() 方法。

9. Java 中常见的垃圾回收算法有哪些？8️⃣🥒

考点

• 标记 清除：

未回收内存分布图（红色：存活对象；绿色：可回收对象；白色：未使用）

标记清除法会把存活对象进行标记，然后将可回收对象进行回收，回收之后内存分布图如下。

缺点：

1. 标记和清除过程效率都不高；
2. 会产生大量不连续的内存碎片，导致无法给大对象分配内存。

• 标记 整理：

未回收内存分布图（红色：存活对象；绿色：可回收对象；白色：未使用）

标记整理法会将存活对象向一边移动，并且回收可回收对象，回收之后内存分布图如下。

• 复制：

未回收内存分布图（红色：存活对象；绿色：可回收对象；白色：未使用；蓝色：保留区）

首先，使用复制这种垃圾回收算法前，会将内存分为两部分（具体什么比例，可以自己定，也可以按照虚拟机默认来），每次使用只使用一部分。

好比说 A 部分内存用完了，就会将 A 的存活对象复制到 B，然后再把 A 的所有对象都清除，清楚后的内存分布图如下：

缺点：

1. 我们总会存在有一块内存没有办法直接使用。
2. 会产生大量不连续的内存碎片，导致无法给大对象分配内存。

• 分代收集： 现在的商业虚拟机采用分代收集算法，它根据对象存活周期将内存划分为几块，不同块采用适当的收集算法。

一般将堆分为新生代和老年代。

新生代使用: 复制算法。

老年代使用: “标记 清除” 或者 “标记 整理” 算法

拓展

现在的商业虚拟机都采用 复制 这种收集算法来回收新生代，但是并不是将新生代划分为大小相等的两块，而是分为一块较大的 Eden 空间和两块较小的 Survivor 空间，每次使用 Eden 空间和其中一块 Survivor。在回收时，将 Eden 和 Survivor 中还存活着的对象一次性复制到另一块 Survivor 空间上，最后清理 Eden 和使用过的那一块 Survivor。

HotSpot 虚拟机的 Eden 和 Survivor 的大小比例默认为 8:1，保证了内存的利用率达到 90%。如果每次回收有多于 10% 的对象存活，那么一块 Survivor 空间就不够用了，此时需要依赖于老年代进行分配担保，也就是借用老年代的空间存储放不下的对象。