2021面试必问JVM篇

Myth丶恋晨 2023-10-02 13:16 113阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  1. 什么是JVM？
 *   *  1.1 请问JDK与JVM有什么区别？
     *  1.2 常见的JDK厂商有哪些?
     *  1.3 OracleJDK与OpenJDK有什么区别?
     *  1.4 开发中使用哪个版本的JDK？生产环境呢? 为什么这么选？
 *  2. 什么是Java字节码？
 *   *  2.1 字节码文件中包含哪些内容?
     *  2.2 什么是常量?
     *  2.3 怎么理解常量池?
 *  3. JVM的运行时数据区有哪些?
 *   *  3.1 什么是堆内存？
     *  3.2 堆内存包括哪些部分？
     *  3.3 什么是非堆内存?
 *  4. 什么是内存溢出？
 *   *  4.1 什么是内存泄漏?
     *  4.2 内存泄漏和内存溢出有什么关系？
 *  5. 分析对象的内存占用
 *   *  5.1 对象内存占用计算出来的?
     *  5.2 对象头中包含哪些部分？
 *  6. 常用的JVM启动参数有哪些?
 *   *  6.1 设置堆内存XMX应该考虑哪些因素？
     *  6.2 假设物理内存是8G，设置多大堆内存比较合适?
     *  6.3 ‐Xmx 设置的值与JVM进程所占用的内存有什么关系?
     *  6.4 怎样开启GC日志？
     *  6.5 请指定使用G1垃圾收集器来启动 Hello 程序
 *  7. Java8默认使用的垃圾收集器是什么?
 *   *  7.1 Java11的默认垃圾收集器是什么?
     *  7.2 常见的垃圾收集器有哪些?
     *  7.3 什么是串行垃圾收集?
     *  7.4 什么是并行垃圾收集?
     *  7.5 什么是并发垃圾收集器?
     *  7.6 什么是增量式垃圾收集?
     *  7.7 什么是年轻代？
     *  7.8 什么是GC停顿(GC pause)?
     *  7.9 GC停顿与STW停顿有什么区别？
 *  8. 如果CPU使用率突然飙升，你会怎么排查？
 *   *  8.1 如果系统响应变慢，你会怎么排查？
     *  8.2 系统性能一般怎么衡量？
 *  9. 使用过哪些JVM相关的工具？
 *   *  9.1 查看JVM进程号的命令是什么?
     *  9.2 怎么查看剩余内存?
     *  9.3 查看线程栈的工具是什么？
     *  9.4 用什么工具来获取堆内存转储?
     *  9.5 内存Dump时有哪些注意事项?
     *  9.6 使用JMAP转储堆内存大致的参数怎么处理？
     *  9.7 为什么转储文件以 .hprof 结尾?
     *  9.8 内存Dump完成之后，用什么工具来分析?
     *  9.9 如果忘记了使用什么参数你一般怎么处理?

给大家归纳总结下：

## 1. 什么是JVM？ ##

`JVM`全称是 `Java Virtual Machine` ，中文称为 `Java`虚拟机 。

`JVM`是`Java`程序运行的底层平台，与`Java`支持库一起构成了`Java`程序的执行环境。分为`JVM`规范和`JVM`实现两个部分。简单来说，`Java`虚拟机就是指能执行标准`Java`字节码的虚拟计算机。

### 1.1 请问JDK与JVM有什么区别？ ###

现在的`JDK`、`JRE`和`JVM`一般是整套出现的。  
`JDK` = `JRE` \+ 开发调试诊断工具  
`JRE` = `JVM` \+ `Java`标准库

### 1.2 常见的JDK厂商有哪些? ###

常见的`JDK`厂商包括：

*  `Oracle`公司，包括 `Hotspot`虚拟机、`GraalVM`；分为`OpenJDK`和`OracleJDK`两种  
    版本。
 *  `IBM` 公司，`J9`虚拟机， 用在`IBM`的产品套件中
 *  `Azul Systems`公司，高性能的`Zing`和开源的`Zulu`
 *  阿里巴巴，`Dragonwell` 是阿里开发的`OpenJDK`定制版
 *  亚马逊，`Corretto OpenJDK`
 *  `Red Hat`公司的`OpenJDKAdopt` `OpenJDK`  
    此外，还有一些开源和试验性质的`JVM`实现，比如`Go.JVM`

### 1.3 OracleJDK与OpenJDK有什么区别? ###

各种版本的`JDK`一般来说都会符合`Java`虚拟机规范。  
两者的区别一般来说包括：

*  两种`JDK`提供的工具套件略有差别，比如`jmc`等有版权的工具。
 *  某些协议或配置不一样，比如美国限制出口的加密算法。
 *  其他细微差别，比如`JRE`中某些私有的`API`不一样。

### 1.4 开发中使用哪个版本的JDK？生产环境呢? 为什么这么选？ ###

选择哪个版本需要考虑研发团队的具体情况：比如机器的操作系统，团队成员的掌握情况，兼顾遗留项目等等。  
当前Java最受欢迎的长期维护版本是`Java8`和`Java11`。

*  `Java8`是经典`LTS`版本，性能优秀，系统稳定，良好支持各种`CPU`架构和操作系统平台。
 *  `Java11`是新的长期支持版，性能更强，支持更多新特性，而且经过几年的维护已经很稳定。

有的企业在开发环境使用`OracleJDK`，在生产环境使用`OpenJDK`，也有的企业恰好相反，在开发环境使用`OpenJDK`，在生产环境使用`OracleJDK`，也有的公司使用同样的打包版本。  
开发和部署时只要进行过测试就没问题。  
一般来说。 测试环境、预上线环境的`JDK`配置需要和生产环境一致。

## 2. 什么是Java字节码？ ##

`Java` 中的字节码，是值 `Java` 源代码编译后的中间代码格式，一般称为字节码文件。

### 2.1 字节码文件中包含哪些内容? ###

字节码文件中，一般包含以下部分：

*  版本号信息
 *  静态常量池（符号常量）
 *  类相关的信息
 *  字段相关的信息
 *  方法相关的信息
 *  调试相关的信息

可以这么说，大部分信息都是通过常量池中的符号常量来表述的。

### 2.2 什么是常量? ###

常量是指不变的量，比如字母 `'A'` 或者数字 `1024` 在`UTF8`编码中对应到对应的二进制格式都是不变的。同样地，字符串在`Java`中的二进制表示也是不变的, 比如 `"AA"` 。  
  在`Java`中需要注意的是， `final` 关键字修饰的字段和变量，表示最终变量，只能赋值`1`次，不允许再次修改，由编译器和执行引擎共同保证。

### 2.3 怎么理解常量池? ###

在`Java`中，常量池包括两层含义：

*  静态常量池，`class`文件中的一个部分，里面保存的是类相关的各种符号常量。
 *  运行时常量池， 其内容主要由静态常量池解析得到，但也可以由程序添加。

## 3. JVM的运行时数据区有哪些? ##

根据 [JVM规范][JVM]，标准的`JVM`运行时数据区包括以下部分：

*  程序计数器
 *  Java虚拟机栈
 *  堆内存
 *  方法区
 *  运行时常量池
 *  本地方法栈

具体的`JVM`实现可根据实际情况进行优化或者合并，满足规范的要求即可。

### 3.1 什么是堆内存？ ###

堆内存是指由程序代码自由分配的内存，与栈内存作区分。在`Java`中，堆内存主要用于分配对象的存储空间，只要拿到对象引用，所有线程都可以访问堆内存。

### 3.2 堆内存包括哪些部分？ ###

以`Hotspot`为例，堆内存（`HEAP`）主要由`GC`模块进行分配和管理， 可分为以下部分：

*  新生代
 *  存活区
 *  老年代

其中，新生代和存活区一般称为年轻代。

### 3.3 什么是非堆内存? ###

除堆内存之外，`JVM`的内存池还包括非堆（`NON_HEAP`），对应于`JVM`规范中的方法区，常量池等部分：

*  MetaSpace
 *  CodeCache
 *  Compressed Class Space

## 4. 什么是内存溢出？ ##

内存溢出（`OOM`）是指可用内存不足。

程序运行需要使用的内存超出最大可用值，如果不进行处理就会影响到其他进程，所以现在操作系统的处理办法是：只要超出立即报错，比如抛出**内存溢出错误** 。

就像杯子装不下，满了要溢出来一样，比如一个杯子只有`500ml`的容量，却倒进去`600ml`，于是水就溢出造成破坏。

### 4.1 什么是内存泄漏? ###

内存泄漏（`Memory Leak`）是指本来无用的对象却继续占用内存，没有再恰当的时机释放占用的内存。

不使用的内存，却没有被释放，称为**内存泄漏** 。 也就是该释放的没释放，该回收的没回收。

比较典型的场景是： 每一个请求进来，或者每一次操作处理，都分配了内存，却有一部分不能回收（或未释放），那么随着处理的请求越来越多，内存泄漏也就越来越严重。

在`Java`中一般是指无用的对象却因为错误的引用关系，不能被`GC`回收清理。

### 4.2 内存泄漏和内存溢出有什么关系？ ###

如果存在严重的内存泄漏问题，随着时间的推移，则必然会引起内存溢出。

内存泄漏一般是资源管理问题和程序`BUG`，内存溢出则是内存空间不足和内存泄漏的最终结果。

## 5. 分析对象的内存占用 ##

在`64`位的系统中，如下：

public class Test{
        
        private long orderId;
        private long userId;
        private byte state;
        private long createMillis;
    }

一般来说，`Test` 类的每个对象会占用`40`个字节。怎么算的，往下看

### 5.1 对象内存占用计算出来的? ###

`64`位`JVM`中，对象头占用`12`字节，但是以`8`字节对齐，所以一个空类的实例(空对象)至少占用`16`字节。在`32`位`JVM`中，对象头占用`8`个字节，以`4`的倍数对齐(不是说`4`字节)。所以`new`出来的很多简单对象，甚至是`new Object()`，都会占用不少内容。

计算方式为：

*  对象头占用`12`字节。
 *  每个`long`类型的字段占用`8`字节，`3`个`long`字段占用`24`字节。
 *  `byte` 字段占用`1`个字节。
 *  以上合计 `37`字节，而`64`位`JVM`是`8`字节对齐，则实际占用`40`个字节。

### 5.2 对象头中包含哪些部分？ ###

对象头中一般包含两个部分：

*  标记字，占用一个机器字，也就是`8`字节。
 *  类型指针，占用一个机器字，也就是`8`个字节。
 *  通常在`32`位`JVM`，以及内存小于`-Xmx32G`的`64`位`JVM`上(默认开启指针压缩)，一个引用占用的内存默认是`4`个字节。所以，`64`位的`JVM`一般需要消耗更多堆内存。

所以前面的计算中，对象头占用`12`字节。

如果是数组，对象头中还会多出一个部分：

*  数组长度， `int`值，占用`4`字节。

如果是包装类型，那么比原生数据类型消耗的内存要多：

*  `Integer`：占用`16`字节(头部`8+4=12`，数据`4`字节)，因为 `int` 部分占`4`个字节，所以使用 `Integer` 比原生类型`int` 要多消耗 `300%` 的内存。
 *  `Long`：一般占用`24`个字节(头部`8+4`\+数据长度`8`字节=`20`字节，再对齐)，当然，对象的实际大小由底层平台的内存对齐确定，具体由特定 `CPU`平台的 `JVM` 实现决定。 看起来一个 `Long` 类型的对象，比起原生类型 `long` 多占用了`8`个字节（也多消耗`200%`）。

## 6. 常用的JVM启动参数有哪些? ##

截止目前，`JVM`可配置参数已经达到`1000`多个，其中`GC`和内存配置相关的`JVM`参数就有`600`多个。  
但在绝大部分业务场景下，常用的`JVM`配置参数也就`10`来个。  
例如：

# JVM启动参数不换行
    # 设置堆内存 
    ‐Xmx4g ‐Xms4g 
    # 指定GC算法 
    ‐XX:+UseG1GC ‐XX:MaxGCPauseMillis=50 
    # 指定GC并行线程数 
    ‐XX:ParallelGCThreads=4 
    # 打印GC日志 
    ‐XX:+PrintGCDetails ‐XX:+PrintGCDateStamps 
    # 指定GC日志文件 
    ‐Xloggc:gc.log 
    # 指定Meta区的最大值 
    ‐XX:MaxMetaspaceSize=2g 
    # 设置单个线程栈的大小 
    ‐Xss1m 
    # 指定堆内存溢出时自动进行Dump 
    ‐XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 
    ‐XX:HeapDumpPath=/usr/local/

此外，还有一些常用的属性配置：

# 指定默认的连接超时时间 
    ‐Dsun.net.client.defaultConnectTimeout=2000
    ‐Dsun.net.client.defaultReadTimeout=2000 
    # 指定时区 
    ‐Duser.timezone=GMT+08 
    # 设置默认的文件编码为UTF‐8 
    ‐Dfile.encoding=UTF‐8 
    # 指定随机数熵源(Entropy Source) 
    ‐Djava.security.egd=file:/dev/./urandom

### 6.1 设置堆内存XMX应该考虑哪些因素？ ###

需要根据系统的配置来确定，要给操作系统和`JVM`本身留下一定的剩余空间。  
推荐配置系统或容器里可用内存的 `70~80%` 最好。

### 6.2 假设物理内存是8G，设置多大堆内存比较合适? ###

比如说系统有 `8G` 物理内存，系统自己可能会用掉一点，大概还有 `7.5G` 可以用，那么建议配置 `‐Xmx6g` 。

> 说明： `7.5G*0.8 = 6G` ，如果知道系统里有明确使用堆外内存的地方，还需要进一步降低这个值。

### 6.3 ‐Xmx 设置的值与JVM进程所占用的内存有什么关系? ###

`JVM`总内存=栈+堆+非堆+堆外+`Native`

### 6.4 怎样开启GC日志？ ###

一般来说，`JDK8`及以下版本通过以下参数来开启`GC`日志：

‐XX:+PrintGCDetails ‐XX:+PrintGCDateStamps ‐Xloggc:gc.log

如果是在`JDK9`及以上的版本，则格式略有不同：

‐Xlog:gc*=info:file=gc.log:time:filecount=0

### 6.5 请指定使用G1垃圾收集器来启动 Hello 程序 ###

java ‐XX:+UseG1GC
    ‐Xms4g
    ‐Xmx4g
    ‐Xloggc:gc.log
    ‐XX:+PrintGCDetails
    ‐XX:+PrintGCDateStamps
    Hello

## 7. Java8默认使用的垃圾收集器是什么? ##

`Java8`版本的`Hotspot JVM`，默认情况下使用的是并行垃圾收集器（`Parallel GC`）。其他厂商提供的`JDK8`基本上也默认使用并行垃圾收集器。

### 7.1 Java11的默认垃圾收集器是什么? ###

`Java9`之后，官方`JDK`默认使用的垃圾收集器是`G1`。

### 7.2 常见的垃圾收集器有哪些? ###

常见的垃圾收集器包括：

*  串行垃圾收集器： `‐XX:+UseSerialGC`
 *  并行垃圾收集器： `‐XX:+UseParallelGC`
 *  CMS垃圾收集器： `‐XX:+UseConcMarkSweepGC`
 *  G1垃圾收集器： `‐XX:+UseG1GC`

### 7.3 什么是串行垃圾收集? ###

就是只有单个`worker`线程来执行`GC`工作。

### 7.4 什么是并行垃圾收集? ###

并行垃圾收集，是指使用多个`GC worker` 线程并行地执行垃圾收集，能充分利用多核 `CPU`的能力，缩短垃圾收集的暂停时间。 除了单线程的`GC`，其他的垃圾收集器，比如 `PS`，`CMS`， `G1`等新的垃圾收集器都使用了多个线程来并行执行`GC`工作。

### 7.5 什么是并发垃圾收集器? ###

并发垃圾收集器，是指在应用程序在正常执行时，有一部分`GC`任务，由`GC`线程在应 用线程一起并发执行。 例如 `CMS/G1`的各种并发阶段。

### 7.6 什么是增量式垃圾收集? ###

`G1`的堆内存不再单纯划分为年轻代和老年代，而是划分为多个（通常是 `2048` 个）可以存放对象的小块堆区域（`smaller heap regions`）。

每个小块，可能一会被定义成 `Eden` 区，一会被指定为 `Survivor` 区或者 `Old` 区。 这样划分之后，使得 `G1` 不必每次都去回收整个堆空间，而是以增量的方式来进行处 理： 每次只处理一部分内存块，称为此次 `GC` 的回收集（`collection set`）。

下一次`GC`时在本次的基础上，再选定一定的区域来进行回收。增量式垃圾收集的好处 是大大降低了单次`GC`暂停的时间。

### 7.7 什么是年轻代？ ###

年轻代是分来垃圾收集算法中的一个概念，相对于老年代而言，年轻代一般包括：

*  新生代，`Eden`区。
 *  存活区，执行年轻代`GC`时，用存活区来保存活下来的对象。 存活区也是年轻代 的一部分，但一般有`2`个存活区，所以可以来回倒腾。

### 7.8 什么是GC停顿(GC pause)? ###

因为`GC`过程中，有一部分操作需要等所有应用线程都到达安全点，暂停之后才能执行，这时候就叫做`GC`停顿，或者叫做`GC`暂停。

### 7.9 GC停顿与STW停顿有什么区别？ ###

这两者一般可以认为就是同一个意思。

## 8. 如果CPU使用率突然飙升，你会怎么排查？ ##

缺乏经验的话，针对当前问题，往往需要使用不同的工具来收集信息，例如：

*  收集不同的指标（`CPU`，内存，磁盘`IO`，网络等等）
 *  分析应用日志
 *  分析`GC`日志
 *  获取线程转储并分析
 *  获取堆转储来进行分析

### 8.1 如果系统响应变慢，你会怎么排查？ ###

一般根据`APM`监控来排查应用系统本身的问题。  
有时候也可以使用`Chrome`浏览器等工具来排查外部原因，比如网络问题。

### 8.2 系统性能一般怎么衡量？ ###

可量化的3个性能指标：

*  系统容量：比如硬件配置，设计容量；
 *  吞吐量：最直观的指标是`TPS`；
 *  响应时间：也就是系统延迟，包括服务端延时和网络延迟。

这些指标。可以具体拓展到单机并发，总体并发，数据量，用户数，预算成本等等。

## 9. 使用过哪些JVM相关的工具？ ##

这个问题请根据实际情况回答，比如`Linux`命令，或者`JDK`提供的工具等。

### 9.1 查看JVM进程号的命令是什么? ###

可以使用 `ps ‐ef` 和 `jps ‐v` 等等。

### 9.2 怎么查看剩余内存? ###

比如： `free ‐m` , `free ‐h` , `top` 命令等等。

### 9.3 查看线程栈的工具是什么？ ###

一般先使用 `jps`命令， 再使用 `jstack ‐l`

### 9.4 用什么工具来获取堆内存转储? ###

一般使用 `jmap` 工具来获取堆内存快照。

### 9.5 内存Dump时有哪些注意事项? ###

根据实际情况来看，获取内存快照可能会让系统暂停或阻塞一段时间，根据内存量决定。  
使用`jmap`时，如果指定 `live` 参数，则会触发一次`FullGC`，需要注意。

### 9.6 使用JMAP转储堆内存大致的参数怎么处理？ ###

示例：

jmap ‐dump:format=b,file=3826.hprof 3826

### 9.7 为什么转储文件以 .hprof 结尾? ###

`JVM`有一个内置的分析器叫做`HPROF`, 堆内存转储文件的格式，最早就是这款工具定义的。

### 9.8 内存Dump完成之后，用什么工具来分析? ###

一般使用 `Eclipse MAT`工具，或者 `jhat` 工具来处理。

### 9.9 如果忘记了使用什么参数你一般怎么处理? ###

上网搜索是比较笨的办法，但也是一种办法。另外就是，各种`JDK`工具都支持 `‐h` 选项来查看帮助信息，只要用得比较熟练，即使忘记了也很容易根据提示进行操作。

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[JVM]: https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se11/html/jvms-2.html#jvms-2.5

2021面试必问JVM篇

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