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JVM知识点总览:高级Java工程师面试必备

来源:荣华软件   2018-09-12 09:33

“有代码的地方,就有江湖。”


程序员,就是“一人,一键,二机”行走其间的孤独剑客。我们游走代码江湖,弹指间,便可掀起一场风雨变革。而在江湖中狂荡,必然要练就绝世武功,则需要内外兼备:精妙的招式,加之深厚的内功。武功的基础是内功,一个内功低的人招式再奇妙,也打不过一个内功深厚之人。同样两者也是相辅相成,内功深厚,原来的一招一式威力也会倍增。


对于开发者来说,其道理也是一样。流行的框架越来越多,封装也越来越完善,各种框架可以搞定一切。初级程序员只要熟悉基本的使用方法,几乎不用关注底层的实现,便可以快速地开发上线。但对于想要进阶的你来说,更要注重内功,比如算法、设计模式、底层原理等等。只有把基础打扎实,才能知其然知其所以然,出现Bug能快速发现问题本质。


我在Java虚拟机性能优化方面有着多年的研究,深知Spring全家桶是精妙的招式,JVM就是内功心法很重要的一块。线上出现性能问题,JVM调优更是不可回避的问题。但又因Java虚拟机封装得太好,让我们几乎感觉不到它的存在,可学习Java虚拟机对于高级程序员来说,其重要性是不言而喻的。我司在面试高级开发的时候,JVM相关知识也必定是考核的标准之一。


下面这篇文章集锦了阿里、美团、Oracle等大厂的JVM考点,你看看是否会能答得上来?

    什么是Java虚拟机?为什么Java被称作是“平台无关的编程语言”?

    Java代码是怎么运行的?

    Java虚拟机是如何加载Java类的?

    JVM运行内存的分类

    如何监控和诊断JVM堆内和堆外内存使用?

    Java四引用是什么?

    如何理解JVM内置的编译或GC日志?

    JVM的永久代中会发生垃圾回收么?

    Java中的两种异常类型是什么?他们有什么区别?

    JVM是如何实现同步的?

    Java内在模型是什么?

    即使编译器有哪些优化?

    在什么情况下重复读写操作会被优化?

    什么样的垃圾才被回收?

    什么时候会导致垃圾回收?

    如何利用JFR和JMC监控Java程序?

    如何利用Unsafe API 绕开 JVM的控制?

    如何利用字节码注入为已有代码加料?

……



1、什么是Java虚拟机?为什么Java被称作是“平台无关的编程语言”?

Java虚拟机是一个可以执行Java字节码的虚拟机进程。Java源文件被编译成能被Java虚拟机执行的字节码文件。


Java被设计成允许应用程序可以运行在任意的平台,而不需要程序员为每一个平台单独重写或者是重新编译。Java虚拟机让这个变为可能,因为它知道底层硬件平台的指令长度和其他特性。


2、Java代码是怎么运行的?

这个问题可以分三块来回答:

    为什么Java要在虚拟机里运行?

    Java虚拟机具体是怎样运行Java字节码的?

    Java虚拟机的运行效率究竟是怎么样的?


Java之所以要在虚拟机中运行,是因为它提供了可移植性。一旦Java代码被编译为Java字节码,便可以在不同平台上的Java虚拟机实现上运行。此外,虚拟机还提供了一个代码托管的环境,代替我们处理部分冗长而且容易出错的事务,例如内存管理。


Java虚拟机将运行时内存区域划分为五个部分,分别为方法区、堆、PC寄存器、Java方法栈和本地方法栈。Java程序编译而成的class文件,需要先加载至方法区中,方能在Java虚拟机中运行。

为了提高运行效率,标准JDK中的HotSpot虚拟机采用的是一种混合执行的策略。首先,它会解释执行Java字节码,然后会将其中反复执行的热点代码,以方法为单位进行即时编译,翻译成机器码后直接运行在底层硬件之上。HotSpot装载了多个不同的即时编译器,以便在编译时间和生成代码的执行效率之间做取舍。

3、Java虚拟机是如何加载Java类的?

Java虚拟机将字节流转化为Java类的过程,可分为加载、链接以及初始化三大步骤。也可以用盖房子来类比Java虚拟机中的类加载。


加载是指查找字节流,并且据此创建类的过程。以盖房子为例,村里的Tony要盖个房子,那么按照流程他得先找个建筑师,跟他说想要设计一个房型,比如说“一房、一厅、四卫”。这里的房型相当于类,而建筑师,就相当于类加载器。村里有许多建筑师,他们等级森严,但有着共同的祖师爷,叫启动类加载器(boot class loader)。


加载需要借助类加载器,在Java虚拟机中,类加载器使用了双亲委派模型,即接收到加载请求时,会先将请求转发给父类加载器。


链接,是指将创建成的类合并至Java虚拟机中,使之能够执行的过程。链接还分验证、准备和解析三个阶段。其中,解析阶段为非必须的。


初始化,则是为标记为常量值的字段赋值,以及执行方法的过程。类的初始化仅会被执行一次,这个特性被用来实现单例的延迟初始化。这放在我们盖房子的例子中就是,只有当房子装修过后,Tony才能真正地住进去。


4、如何监控和诊断JVM堆内和堆外内存使用?

了解 JVM 内存的方法有很多,具体能力范围也有区别,简单总结如下:


可以使用综合性的图形化工具,如 JConsole、VisualVM(注意,从 Oracle JDK 9 开始,VisualVM 已经不再包含在 JDK 安装包中)等。这些工具具体使用起来相对比较直观,直接连接到 Java 进程,然后就可以在图形化界面里掌握内存使用情况。

以 JConsole 为例,其内存页面可以显示常见的堆内存和各种堆外部分使用状态。


也可以使用命令行工具进行运行时查询,如 jstat 和 jmap 等工具都提供了一些选项,可以查看堆、方法区等使用数据。

或者,也可以使用 jmap 等提供的命令,生成堆转储(Heap Dump)文件,然后利用 jhat 或 Eclipse MAT 等堆转储分析工具进行详细分析。

如果你使用的是 Tomcat、Weblogic 等 Java EE 服务器,这些服务器同样提供了内存管理相关的功能。

另外,从某种程度上来说,GC 日志等输出,同样包含着丰富的信息。


这里有一个相对特殊的部分,就是是堆外内存中的直接内存,前面的工具基本不适用,可以使用 JDK 自带的 Native Memory Tracking(NMT)特性,它会从 JVM 本地内存分配的角度进行解读。


5、JVM的永久代中会发生垃圾回收么?

垃圾回收不会发生在永久代,如果永久代满了或者是超过了临界值,会触发完全垃圾回收(Full GC)。如果你仔细查看垃圾收集器的输出信息,就会发现永久代也是被回收的。这就是为什么正确的永久代大小对避免Full GC是非常重要的原因。

(注:Java8中已经移除了永久代,新加了一个叫做元数据区的native内存区) 异常处理


6、在Java中,对象什么时候可以被垃圾回收?

当对象对当前使用这个对象的应用程序变得不可触及的时候,这个对象就可以被回收了。


7、Java中的两种异常类型是什么?他们有什么区别?

Java中有两种异常:受检查的(checked)异常和不受检查的(unchecked)异常。不受检查的异常不需要在方法或者是构造函数上声明,就算方法或者是构造函数的执行可能会抛出这样的异常,并且不受检查的异常可以传播到方法或者是构造函数的外面。相反,受检查的异常必须要用throws语句在方法或者是构造函数上声明。这里有Java异常处理的一些小建议。


8、JVM垃圾回收算法

标记-清除算法:首先标记出所有需要回收的对象,在标记完成后统一回收所有被标记的对象。

复制算法: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。当一块内存用完了,将还存另外一块上面,然后在把已使用过的内存空间一次清理掉。

标记-整理算法:标记过程与“标记-清除”算法一样,但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理,而是让所一端移动,然后直接清理掉端边界以外的内存。

分代收集算法:一般是把Java堆分为新生代和老年代,根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。新生代都发现有大批对象死去,选用复制算法。老年代中因为对象存活率高,必须使用“标记-清理”或“标记-整理”算法来进行回收。

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