《Java虚拟机》必知必会——十四个问题总结（内存模型+GC）

一、Java概述

1、Java相较于PHP、C#、Ruby等一样很优秀的编程语言的优势是什么？
（1）体系结构中立，跨平台性能优越。Java程序依赖于JVM运行，javac编译器编译Java程序为平台通用的字节码文件（.class），再由JVM与不同操作系统匹配，装载字节码并解释（也有可能是编译，会在第三个问题中说到）为机器指令执行。
（2）安全性优越。通过JVM与宿主环境隔离，且Java的语法也一定程度上保障了安全，如废弃指针操作、自动内存管理、异常处理机制等。
（3）多线程。防止单线程阻塞导致程序崩溃，分发任务，提高执行效率。
（4）分布式。支持分布式，提高应用系统性能。
（5）丰富的第三方开源组件。Spring、Struts、Hibernate、Mybatis、Quartz等等等等。

2、字节码是什么？.class字节码文件是什么？
（1）字节码是包含Java内部指令集、符号集以及一些辅助信息的能够被JVM识别并解释运行的符号序列。字节码内部不包含任何分隔符区分段落，且不同长度数据都会构造成n个8位字节单位表示。
（2）.class里存放的就是Java程序编译后的字节码，包含了类版本信息、字段、方法、接口等描述信息以及常量池表，一组8位字节单位的字节流组成了一个字节码文件。

3、JVM是什么？HotSpot虚拟机有什么特点？
JVM全称Java Visual Machine，Java虚拟机。是Java程序的运行环境，主要负责装载字节码文件，并解释或编译成对应平台的机器指令执行。
我们使用最多的是JDK缺省自带的HotSpot虚拟机，使用解释器加编译期并存架构方案。一开始的时候使用解释器，使编译未结束时就可以解释字节码为本地机器指令执行，提高效率。编译器用在HotSpot的热点探索功能上，在存在频繁调用的方法或循环次数较多的代码时，就会把这类代码块标记为“热点代码”，通过内嵌的双重JIT（Just in time compiler）将字节码直接编译成对应机器指令，以提高效率。

二、Java内存模型

1、PC计数器
线程私有，用于记录当前线程正在执行字节码的地址，如果执行的是native本地方法，PC计数器为空。

2、Java栈
线程私有，也叫作Java虚拟机栈，用于存储栈帧，栈帧的入栈出栈过程即方法调用到执行结束的过程。栈帧中主要存放方法执行所需的局部变量表（包括局部变量的声明数据类型、对象引用等）、操作数栈、方法出口等信息。

3、本地方法栈
与Java栈功能类似，只是用于存储native本地方法的相关信息。

4、Java堆
线程公用，用于存放对象实例，包括数组，也叫GC区，是GC主要工作的区域。也正是如此，由于GC频率过快与效率不高，堆区的可能成为JVM性能瓶颈，于是考虑到性能，堆区不再是对象内存分配的唯一选择。这里就涉及到了对象的逃逸分析与栈上分配。
逃逸分析就是用来分析对象的作用域是否在方法内部，当方法返回了当前类实例对象、方法中为当前类成员变量赋值、方法中引用当前类成员变量的值时就会发生逃逸，依然在堆上分配内存。但当对象的作用域就在方法内时，比如在方法内创建了该类的实例，没有返回、没有引用，则这种情况就直接在Java栈上分配内存，随着栈帧的出栈释放空间，减轻了堆区GC的压力。

5、方法区
线程公用，存储了每一个Java类的结构信息，比如：字段、各种方法的字节码内容数据、运行时常量池等。方法区也被称为永久带。一般没有显示要求，GC只对方法区中的常量池回收以及类型卸载。

6、运行时常量池
属于方法区的一部分，类加载器将类的字节码文件加载如JVM中后，会把字节码文件中的常量池表转化为运行时常量池。

三、Java垃圾回收机制

1、常见的标记可用对象的算法有哪些？
（1）引用计数法：每个对象都创建一个私有的引用计数器，当该对象被其他对象引用时（出现在等号右边），引用计数器加1；当不再引用时，引用计数器减一；当引用计数器为0时，对象即可被回收。这种方式存在着当两个对象互相引用时，二者引用计数器值都不为0无法被回收的问题；
（2）根搜索算法：JVM一般使用的标记算法，把对象的引用看作图结构，由根节点集合出发，不可达的节点即可回收，其中根节点集合包含的如下5种元素：
1、Java栈中的对象引用；
2、本地方法栈中的对象引用；
3、运行时常量池的对象引用；
4、方法区中静态属性的对象引用；
5、所有Class对象；

2、常见的垃圾回收算法有哪些？JVM使用哪种？
（1）标记-清除算法：分两个阶段执行，第一个阶段标记可用对象，第二个阶段清除垃圾对象；这个方法很基础简单，但效率低下，而且会产生内存碎片（不连续的内存空间），无法再次分配给较大对象。
（2）复制算法：被广泛用于新生代对象的回收。将内存分为两个区域，新对象都分配在一个区域中，回收时将可用对象连续复制到另一个区域，回收完成后，新对象分配在有对象的区域，循环往复。这种算法不会产生内存碎片，且效率较高，但因为同时只有一个区域有效，会导致内存利用率不高。
（3）标记-整理算法：被应用于老年代对象的回收。这种算法与标记清除算法类似，第一个阶段标记可用对象，第二个阶段将可用对象移动到一段连续的内存上，解决了标记-清除算法会产生内存碎片的缺点。
（4）分代回收算法：在HotSpot虚拟机中，基于分代的特点（堆内存可进一步分为年轻代、老年代，老年代存放存活时间较长的对象），JVM GC使用分代回收算法。
年轻代使用复制算法：分为一个较大的Eden区与两个较小的、等大小的Survivor区（From Space与To Space），比例一般是8:1:1。新对象都分配在Eden区，当GC发生时（新生代的GC一般叫做Minor GC），将Eden区与From区中的可用对象复制到To区中，From Space与To Space互换名称，循环方法。直到发生如下两种情况，对象进入老年代：
1’ From区内的对象已经达到存活代数阀值（经过GC的次数达到设定值），GC时不会进入To区中，直接移动至老年代；
2’ 在回收Eden区与From区后，超出To区可容纳范围，则直接将存活对象移动至老年代。

老年代使用标记-整理算法：当老年代满的时候，会触发Full GC（新生代与老年代一起进行GC）。

3、常见的垃圾回收器有哪些？有什么特点？适合应用与什么场景？
（1）Serial收集器
年轻代采用复制算法、串行回收、与“Stop the world”机制（GC时停止其他一切工作），适用于单核CPU环境，绝对不推荐应用于服务器端。
Serial提供了老年代的回收器Serial Old，采用标记-整理算法，其他特性与新生代一致。
Serial+Serial Old适合客户端场景。
（2）ParNew收集器
相当于Serial的多线程版本，并行回收，年轻代同样采用复制算法与“Stop the world”机制，适用于多核CPU、低延迟环境，推荐应用于服务器场景。
（3）Parallel收集器
与ParNew类似，复制算法、并行回收、“Stop the world”机制，但是与ParNew不同，Parallel可以控制程序吞吐量大小，也被称为吞吐量优先的垃圾收集器。
与Serial类似，Parallel也有老年代版本，Parallel Old，同样采用标记整理-算法。
Parallel+Parallel Old非常适用于服务器场景。
（4）CMS收集器
与Parallel的高吞吐对应，CMS就是为高并发、低延时而生的。采用标记-清除算法、并行回收、“Stop the world”。因为采用了标记-清除算法，会产生大量内存碎片，要慎重使用。
（5）G1收集器
是一款基于并行、并发、低延时、暂停时间可控的区域化分代式垃圾回收器。
具有革命意义的设计，放弃了堆区年轻代、老年代的划分方案，而是将堆区或分成约2048个大小相同的独立Region块。
详情可参看ImportNew博文http://www.importnew.com/15311.html

4、GC的优化方案？
基本的原则就是尽可能地减少垃圾和减少GC过程中的开销。其中需要注意，JVM进行次GC的频率很高，但因为Minor GC占用时间极短，所以对系统产生的影响不大。更值得关注的是Full GC的触发条，具体措施包括以下几个方面:
(1)不要显式调用System.gc()
调用System.gc()也仅仅是一个请求(建议)。JVM接受这个消息后，并不是立即做垃圾回收，而只是对几个垃圾回收算法做了加权，使垃圾回收操作容易发生，或提早发生，或回收较多而已。但即便这样，很多情况下它会触发Full GC，也即增加了间歇性停顿的次数。
(2)尽量减少临时对象的使用
临时对象在跳出函数调用后，会成为垃圾，少用临时变量就相当于减少了垃圾的产生，也就减少了Full GC的概率。
(3)对象不用时最好显式置为Null
一般而言，为Null的对象都会被作为垃圾处理，所以将不用的对象显式地设为Null，有利于GC收集器判定垃圾，从而提高了GC的效率。
(4)尽量使用StringBuffer,而不用String来累加字符串
由于String是常量，累加String对象时，并非在一个String对象中扩增，而是重新创建新的String对象，如Str5=Str1+Str2+Str3+Str4,这条语句执行过程中会产生多个垃圾对象，因为对次作“+”操作时都必须创建新的String对象，但这些过渡对象对系统来说是没有实际意义的，只会增加更多的垃圾。避免这种情况可以改用StringBuffer来累加字符串，因StringBuffer是可变长的，它在原有基础上进行扩增，不会产生中间对象。
(5)能用基本类型如Int,Long,就不用Integer,Long对象
基本类型变量占用的内存资源比相应对象占用的少得多，如果没有必要,最好使用基本变量。
(6)尽量少用静态对象变量
静态变量属于全局变量，不会被GC回收，它们会一直占用内存。
(7)分散对象创建或删除的时间
集中在短时间内大量创建新对象，特别是大对象，会导致突然需要大量内存，JVM在面临这种情况时，只能进行Full GC，以回收内存或整合内存碎片，从而增加主GC的频率。集中删除对象，道理也是一样的。它使得突然出现了大量的垃圾对象，空闲空间必然减少，从而大大增加了下一次创建新对象时强制主GC的机会。

5、Java即使有了GC也会出现的内存泄漏情况？举例说明。
1.静态集合类像HashMap、Vector等的使用最容易出现内存泄露，这些静态变量的生命周期和应用程序一致，所有的对象Object也不能被释放，因为他们也将一直被Vector等应用着。

Static Vector v = new Vector();
for (int i = 1; i<100; i++)
{
Object o = new Object();
v.add(o);
o = null;
}

在这个例子中，代码栈中存在Vector对象的引用v和Object对象的引用o。在For循环中，我们不断的生成新的对象，然后将其添加到Vector对象中，之后将o引用置空。问题是当o引用被置空后，如果发生GC，我们创建的Object对象是否能够被GC回收呢？答案是否定的。因为，GC在跟踪代码栈中的引用时，会发现v引用，而继续往下跟踪，就会发现v引用指向的内存空间中又存在指向Object对象的引用。也就是说尽管o引用已经被置空，但是Object对象仍然存在其他的引用，是可以被访问到的，所以GC无法将其释放掉。如果在此循环之后，Object对象对程序已经没有任何作用，那么我们就认为此Java程序发生了内存泄漏。

2.各种连接，数据库连接，网络连接，IO连接等没有显示调用close关闭，不被GC回收导致内存泄露。

3.监听器的使用，在释放对象的同时没有相应删除监听器的时候也可能导致内存泄露。