金三银四面试季节之Java 核心面试技术点 - JVM 小结

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描述一下 JVM 的内存区域

造成OOM的原因有哪几种?

GC 算法

G1 垃圾回收器采用的是什么垃圾回收算法?

从 GC 算法的角度,G1 选择的是复合算法,可以简化理解为:

GC 调优思路

从性能的角度看,通常关注三个方面,内存占用(footprint)、延时(latency)和吞吐量(throughput),大多数情况下调优会侧重于其中一个或者两个方面的目标,很少有情况可以兼顾三个不同的角度。当然,除了上面通常的三个方面,也可能需要考虑其他 GC 相关的场景,例如,OOM 也可能与不合理的 GC 相关参数有关;或者,应用启动速度方面的需求,GC 也会是个考虑的方面。
基本的调优思路可以总结为:

通过分析确定具体调整的参数或者软硬件配置。验证是否达到调优目标,如果达到目标,即可以考虑结束调优;否则,重复完成分析、调整、验证这
个过程。

如何提高JVM的性能?

  1. 新对象预留在年轻代
    通过设置一个较大的年轻代预留新对象,设置合理的 Survivor 区并且提供 Survivor 区的使用率,可以将年轻对象保存在年轻代。

  2. 大对象进入年老代
    使用参数-XX:PetenureSizeThreshold 设置大对象直接进入年老代的阈值

  3. 设置对象进入年老代的年龄
    这个阈值的最大值可以通过参数-XX:MaxTenuringThreshold 来设置,默认值是 15

  4. 稳定的 Java 堆
    获得一个稳定的堆大小的方法是使-Xms 和-Xmx 的大小一致,即最大堆和最小堆 (初始堆) 一样。

  5. 增大吞吐量提升系统性能
    –Xmx380m –Xms3800m:设置 Java 堆的最大值和初始值。一般情况下,为了避免堆内存的频繁震荡,导致系统性能下降,我们的做法是设置最大堆等于最小堆。假设这里把最小堆减少为最大堆的一半,即 1900m,那么 JVM 会尽可能在 1900MB 堆空间中运行,如果这样,发生 GC 的可能性就会比较高;
    -Xss128k:减少线程栈的大小,这样可以使剩余的系统内存支持更多的线程;
    -Xmn2g:设置年轻代区域大小为 2GB;
    –XX:+UseParallelGC:年轻代使用并行垃圾回收收集器。这是一个关注吞吐量的收集器,可以尽可能地减少 GC 时间。
    –XX:ParallelGC-Threads:设置用于垃圾回收的线程数,通常情况下,可以设置和 CPU 数量相等。但在 CPU 数量比较多的情况下,设置相对较小的数值也是合理的;
    –XX:+UseParallelOldGC:设置年老代使用并行回收收集器。

  6. 尝试使用大的内存分页
    –XX:+LargePageSizeInBytes:设置大页的大小。
    内存分页 (Paging) 是在使用 MMU 的基础上,提出的一种内存管理机制。它将虚拟地址和物理地址按固定大小(4K)分割成页 (page) 和页帧 (page frame),并保证页与页帧的大小相同。这种机制,从数据结构上,保证了访问内存的高效,并使 OS 能支持非连续性的内存分配。

  7. 使用非占有的垃圾回收器
    为降低应用软件的垃圾回收时的停顿,首先考虑的是使用关注系统停顿的 CMS 回收器,其次,为了减少 Full GC 次数,应尽可能将对象预留在年轻代。

system.gc() 的作用是什么?

gc()函数的作用只是提醒虚拟机:程序员希望进行一次垃圾回收。但是它不能保证垃圾回收一定会进行,而且具体什么时候进行是取决于具体的虚拟机的,不同的虚拟机有不同的对策。

Parallel GC、CMS GC、ZGC、Azul Pauseless GC最主要的不同是?背后的原理也请简单描述下?

Parallel GC的Young区采用的是Mark-Copy算法,Old区采用的是Mark-Sweep-Compact来实现,Parallel执行,所以决定了Parallel GC在执行YGC、FGC时都会Stop-The-World,但完成GC的速度也会比较快。
CMS GC的Young区采用的也是Mark-Copy,Old区采用的是Concurrent Mark-Sweep,所以决定了CMS GC在对old区回收时造成的STW时间会更短,避免对应用产生太大的时延影响。
G1 GC采用了Garbage First算法,比较复杂,实现的好呢,理论上是会比CMS GC可以更高效,同时对应用的影响也很小。
ZGC、Azul Pauseless GC采用的算法很不一样,尤其是Pauseless GC,其中的很重要的一个技巧是通过增加Read Barrier来更好的识别对GC而言最关键的references变化的情况。

什么时候执行ygc,fullgc?

当young gen中的eden区分配满的时候触发young gc,当年老代内存不足时,将执行Major GC,也叫 Full GC。

gc()函数的作用只是提醒虚拟机:程序员希望进行一次垃圾回收。但是它不能保证垃圾回收一定会进行,而且具体什么时候进行是取决于具体的虚拟机的,不同的虚拟机有不同的对策。

强引用、软引用、弱引用、幻象引用有什么区别?具体使用场景是什么?

不同的引用类型,主要体现的是对象不同的可达性(reachable)状态和对垃圾收集的影响。

所谓强引用("Strong" Reference),就是我们最常见的普通对象引用,只要还有强引用指向一个对象,就能表明对象还“活着”,垃圾收集器不会碰这种对象。对于一个普通的对象,如果没有其他的引用关系,只要超过了引用的作用域或者显式地将相应(强)引用赋值为 null,就是可以被垃圾收集的了,当然具体回收时机还是要看垃圾收集策略。

软引用(SoftReference),是一种相对强引用弱化一些的引用,可以让对象豁免一些垃圾收集,只有当 JVM 认为内存不足时,才会去试图回收软引用指向的对象。JVM 会确保在抛出OutOfMemoryError 之前,清理软引用指向的对象。软引用通常用来实现内存敏感的缓存,如果还有空闲内存,就可以暂时保留缓存,当内存不足时清理掉,这样就保证了使用缓存的同时,不会耗尽内存。

SoftReference 在“弱引用WeakReference”中属于最强的引用。SoftReference 所指向的对象,当没有强引用指向它时,会在内存中停留一段的时间,垃圾回收器会根据 JVM 内存的使用情况(内存的紧缺程度)以及 SoftReference 的 get() 方法的调用情况来决定是否对其进行回收。

对于幻象引用(PhantomReference ),有时候也翻译成虚引用,你不能通过它访问对象。幻象引用仅仅是提供了一种确保对象被 finalize 以后,做某些事情的机制,比如,通常用来做所谓的 Post-Mortem 清理机制,如 Java 平台自身 Cleaner 机制等,也有人利用幻象引用监控对象的创建和销毁。

Object counter = new Object();
ReferenceQueue refQueue = new ReferenceQueue<>();
PhantomReference<Object> p = new PhantomReference<>(counter, refQueue);
counter = null;
System.gc();
try {
    // Remove 是一个阻塞方法,可以指定 timeout,或者选择一直阻塞
    Reference<Object> ref = refQueue.remove(1000L);
    if (ref != null) {
        // do something
    }
} catch (InterruptedException e) {
    // Handle it
}

JVM类加载过程

一般来说,我们把 Java 的类加载过程分为三个主要步骤:加载、链接、初始化。
首先是加载阶段(Loading),它是 Java 将字节码数据从不同的数据源读取到 JVM 中,并映射为 JVM 认可的数据结构(Class 对象),这里的数据源可能是各种各样的形态,如 jar 文件、class 文件,甚至是网络数据源等;如果输入数据不是 ClassFile 的结构,则会抛出 ClassFormatError。加载阶段是用户参与的阶段,我们可以自定义类加载器,去实现自己的类加载过程。

第二阶段是链接(Linking),这是核心的步骤,简单说是把原始的类定义信息平滑地转化入 JVM 运行的过程中。这里可进一步细分为三个步骤:

最后是初始化阶段(initialization),这一步真正去执行类初始化的代码逻辑,包括静态字段赋值的动作,以及执行类定义中的静态初始化块内的逻辑,编译器在编译阶段就会把这部分逻辑整理好,父类型的初始化逻辑优先于当前类型的逻辑。

什么是双亲委派模型?

简单说就是当类加载器(Class-Loader)试图加载某个类型的时候,除非父加载器找不到相应类型,否则尽量将这个任务代理给当前加载器的父加载器去做。使用委派模型的目的是避免重复加载 Java 类型。

类加载器的类型

上下文类加载器

Java 提供了很多服务提供者接口(Service Provider Interface,SPI),允许第三方为这些接口提供实现。常见的 SPI 有 JDBC、JCE、JNDI、JAXP 和 JBI 等。这些 SPI 的接口由 Java 核心库来提供,而这些 SPI 的实现代码则是作为 Java 应用所依赖的 jar 包被包含进类路径(CLASSPATH)里。SPI接口中的代码经常需要加载具体的实现类。那么问题来了,SPI的接口是Java核心库的一部分,是由**启动类加载器(Bootstrap Classloader)来加载的;SPI的实现类是由系统类加载器(System ClassLoader)**来加载的。引导类加载器是无法找到 SPI 的实现类的,因为依照双亲委派模型,BootstrapClassloader无法委派AppClassLoader来加载类。而线程上下文类加载器破坏了“双亲委派模型”,可以在执行线程中抛弃双亲委派加载链模式,使程序可以逆向使用类加载器。

ServiceLoader 的加载代码:

public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) {
    ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
    return ServiceLoader.load(service, cl);
}

ContextClassLoader默认存放了AppClassLoader的引用,由于它是在运行时被放在了线程中,所以不管当前程序处于何处(BootstrapClassLoader或是ExtClassLoader等),在任何需要的时候都可以用Thread.currentThread().getContextClassLoader()取出应用程序类加载器来完成需要的操作。

自定义类加载器

自定义类加载器,常见的场景有:

从本地路径 load class 的例子:

public class CustomClassLoader extends ClassLoader {
 
    @Override
    public Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        byte[] b = loadClassFromFile(name);
        return defineClass(name, b, 0, b.length);
    }
 
    private byte[] loadClassFromFile(String fileName)  {
        InputStream inputStream = getClass().getClassLoader().getResourceAsStream(
                fileName.replace('.', File.separatorChar) + ".class");
        byte[] buffer;
        ByteArrayOutputStream byteStream = new ByteArrayOutputStream();
        int nextValue = 0;
        try {
            while ( (nextValue = inputStream.read()) != -1 ) {
                byteStream.write(nextValue);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        buffer = byteStream.toByteArray();
        return buffer;
    }
}

动态代理的原理?

反射机制是 Java 语言提供的一种基础功能,赋予程序在运行时自省(introspect,官方用语)的能力。通过反射我们可以直接操作类或者对象,比如获取某个对象的类定义,获取类声明的属性和方法,调用方法或者构造对象,甚至可以运行时修改类定义。 动态代理是一种方便运行时动态构建代理、动态处理代理方法调用的机制,很多场景都是利用类似机制做到的,比如用来包装 RPC 调用、面向切面的编程(AOP)。 实现动态代理的方式很多,比如 JDK 自身提供的动态代理,就是主要利用了上面提到的反射机制。还有其他的实现方式,比如利用传说中更高性能的字节码操作机制,类似 ASM、cglib(基于 ASM)、Javassist 等。

如何使用JDK动态代理?

public class MyDynamicProxy {
    public static  void main (String[] args) {
        HelloImpl hello = new HelloImpl();
        MyInvocationHandler handler = new MyInvocationHandler(hello);
        // 构造代码实例
        Hello proxyHello = (Hello) Proxy.newProxyInstance(HelloImpl.class.getClassLoader(), HelloImpl.class.getInterfaces(), handler);
        // 调用代理方法
        proxyHello.sayHello();
    }
}
interface Hello {
    void sayHello();
}
class HelloImpl implements  Hello {
    @Override
    public void sayHello() {
        System.out.println("Hello World");
    }
}
class MyInvocationHandler implements InvocationHandler {
    private Object target;
    public MyInvocationHandler(Object target) {
        this.target = target;
    }
    @Override
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args)
            throws Throwable {
        System.out.println("Invoking sayHello");
        Object result = method.invoke(target, args);
        return result;
    }
}

动态代理:JDK动态代理和CGLIB代理的区别?

JDK动态代理只能对实现了接口的类生成代理,而不能针对类,CGLIB是针对类实现代理,主要是对指定的类生成一个子类,覆盖其中的方法(继承)。

JDK Proxy 的优势:

  1. 最小化依赖关系,减少依赖意味着简化开发和维护,JDK 本身的支持,可能比 cglib 更加可靠。
  2. 平滑进行 JDK 版本升级,而字节码类库通常需要进行更新以保证在新版 Java 上能够使用。
  3. 代码实现简单。

基于类似 cglib 框架的优势:

  1. 有的时候调用目标可能不便实现额外接口,从某种角度看,限定调用者实现接口是有些侵入性的实践,类似 cglib 动态代理就没有这种限制。
  2. 只操作我们关心的类,而不必为其他相关类增加工作量。
  3. 高性能。

Spring在选择用JDK还是CGLiB的依据是什么?

(1)当Bean实现接口时,Spring就会用JDK的动态代理
(2)当Bean没有实现接口时,Spring使用CGlib是实现
(3)可以强制使用CGlib(在spring配置中加入<aop:aspectj-autoproxy proxy-target- />)

CGlib比JDK快?

(1)使用CGLib实现动态代理,CGLib底层采用ASM字节码生成框架,使用字节码技术生成代理类,比使用Java反射效率要高。唯一需要注意的是,CGLib不能对声明为final的方法进行代理,因为CGLib原理是动态生成被代理类的子类。但是JDK也在升级,开始引入很多字节码技术来实现部分动态代理的功能,所以在某些测试下不一定是CGLib更快。

Java 中操作字节码的技术

ASM、Javassist、CGLib、Byte Budy。

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