“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。