聽說又被 JVM 內(nèi)存區(qū)域方面的面試題給虐了？看看這篇文章吧！

作者：Java填坑之路 2019-03-28 09:48:48

云計算

虛擬化 對于 Java 程序員來說，在虛擬機(jī)自動內(nèi)存管理機(jī)制下，不再需要像C/C++程序開發(fā)程序員這樣為內(nèi)一個 new 操作去寫對應(yīng)的 delete/free 操作，不容易出現(xiàn)內(nèi)存泄漏和內(nèi)存溢出問題。

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 基本問題

• 介紹下 Java 內(nèi)存區(qū)域(運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū))
• Java 對象的創(chuàng)建過程(五步，建議能默寫出來并且要知道每一步虛擬機(jī)做了什么)?對象的訪問定位的兩種方式(句柄和直接指針兩種方式)

拓展問題

• String類和常量池?8種基本類型的包裝類和常量池

一 概述

對于 Java 程序員來說，在虛擬機(jī)自動內(nèi)存管理機(jī)制下，不再需要像C/C++程序開發(fā)程序員這樣為內(nèi)一個 new 操作去寫對應(yīng)的 delete/free 操作，不容易出現(xiàn)內(nèi)存泄漏和內(nèi)存溢出問題。正是因為 Java 程序員把內(nèi)存控制權(quán)利交給 Java 虛擬機(jī)，一旦出現(xiàn)內(nèi)存泄漏和溢出方面的問題，如果不了解虛擬機(jī)是怎樣使用內(nèi)存的，那么排查錯誤將會是一個非常艱巨的任務(wù)。

二 運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)域

Java 虛擬機(jī)在執(zhí)行 Java 程序的過程中會把它管理的內(nèi)存劃分成若干個不同的數(shù)據(jù)區(qū)域。JDK. 1.8 和之前的版本略有不同，下面會介紹到。

JDK 1.8之前：

線程私有的：

• 程序計數(shù)器?虛擬機(jī)棧?本地方法棧

線程共享的：

• 堆?方法區(qū)?直接內(nèi)存(非運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)的一部分)

2.1 程序計數(shù)器

程序計數(shù)器是一塊較小的內(nèi)存空間，可以看作是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器。字節(jié)碼解釋器工作時通過改變這個計數(shù)器的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復(fù)等功能都需要依賴這個計數(shù)器來完。

另外，為了線程切換后能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置，每條線程都需要有一個獨(dú)立的程序計數(shù)器，各線程之間計數(shù)器互不影響，獨(dú)立存儲，我們稱這類內(nèi)存區(qū)域為“線程私有”的內(nèi)存。

從上面的介紹中我們知道程序計數(shù)器主要有兩個作用：

?字節(jié)碼解釋器通過改變程序計數(shù)器來依次讀取指令，從而實現(xiàn)代碼的流程控制，如：順序執(zhí)行、選擇、循環(huán)、異常處理。?在多線程的情況下，程序計數(shù)器用于記錄當(dāng)前線程執(zhí)行的位置，從而當(dāng)線程被切換回來的時候能夠知道該線程上次運(yùn)行到哪兒了。

注意：程序計數(shù)器是唯一一個不會出現(xiàn) OutOfMemoryError 的內(nèi)存區(qū)域，它的生命周期隨著線程的創(chuàng)建而創(chuàng)建，隨著線程的結(jié)束而死亡。

2.2 Java 虛擬機(jī)棧

與程序計數(shù)器一樣，Java虛擬機(jī)棧也是線程私有的，它的生命周期和線程相同，描述的是 Java 方法執(zhí)行的內(nèi)存模型，每次方法調(diào)用的數(shù)據(jù)都是通過棧傳遞的。

Java 內(nèi)存可以粗糙的區(qū)分為堆內(nèi)存(Heap)和棧內(nèi)存(Stack),其中棧就是現(xiàn)在說的虛擬機(jī)棧，或者說是虛擬機(jī)棧中局部變量表部分。(實際上，Java虛擬機(jī)棧是由一個個棧幀組成，而每個棧幀中都擁有：局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接、方法出口信息。)

局部變量表主要存放了編譯器可知的各種數(shù)據(jù)類型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、對象引用(reference類型，它不同于對象本身，可能是一個指向?qū)ο笃鹗嫉刂返囊弥羔?，也可能是指向一個代表對象的句柄或其他與此對象相關(guān)的位置)。

Java 虛擬機(jī)棧會出現(xiàn)兩種異常：StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError。

?StackOverFlowError：若Java虛擬機(jī)棧的內(nèi)存大小不允許動態(tài)擴(kuò)展，那么當(dāng)線程請求棧的深度超過當(dāng)前Java虛擬機(jī)棧的***深度的時候，就拋出StackOverFlowError異常。?OutOfMemoryError：若 Java 虛擬機(jī)棧的內(nèi)存大小允許動態(tài)擴(kuò)展，且當(dāng)線程請求棧時內(nèi)存用完了，無法再動態(tài)擴(kuò)展了，此時拋出OutOfMemoryError異常。

Java 虛擬機(jī)棧也是線程私有的，每個線程都有各自的Java虛擬機(jī)棧，而且隨著線程的創(chuàng)建而創(chuàng)建，隨著線程的死亡而死亡。

擴(kuò)展：那么方法/函數(shù)如何調(diào)用?

Java ?？捎妙惐葦?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中棧，Java 棧中保存的主要內(nèi)容是棧幀，每一次函數(shù)調(diào)用都會有一個對應(yīng)的棧幀被壓入Java棧，每一個函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，都會有一個棧幀被彈出。

Java方法有兩種返回方式：

• return 語句。
• 拋出異常。

不管哪種返回方式都會導(dǎo)致棧幀被彈出。

2.3 本地方法棧

和虛擬機(jī)棧所發(fā)揮的作用非常相似，區(qū)別是：虛擬機(jī)棧為虛擬機(jī)執(zhí)行 Java 方法 (也就是字節(jié)碼)服務(wù)，而本地方法棧則為虛擬機(jī)使用到的 Native 方法服務(wù)。在 HotSpot 虛擬機(jī)中和 Java 虛擬機(jī)棧合二為一。

本地方法被執(zhí)行的時候，在本地方法棧也會創(chuàng)建一個棧幀，用于存放該本地方法的局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接、出口信息。

方法執(zhí)行完畢后相應(yīng)的棧幀也會出棧并釋放內(nèi)存空間，也會出現(xiàn) StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError 兩種異常。

2.4 堆

Java 虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存中***的一塊，Java 堆是所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，在虛擬機(jī)啟動時創(chuàng)建。此內(nèi)存區(qū)域的唯一目的就是存放對象實例，幾乎所有的對象實例以及數(shù)組都在這里分配內(nèi)存。

Java 堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，因此也被稱作GC堆(Garbage Collected Heap).從垃圾回收的角度，由于現(xiàn)在收集器基本都采用分代垃圾收集算法，所以Java堆還可以細(xì)分為：新生代和老年代：再細(xì)致一點(diǎn)有：Eden空間、From Survivor、To Survivor空間等。進(jìn)一步劃分的目的是更好地回收內(nèi)存，或者更快地分配內(nèi)存。

——圖片來源：https://blog.csdn.net/wangbiao007/article/details/78545189[1]

2.7 直接內(nèi)存

直接內(nèi)存并不是虛擬機(jī)運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)的一部分，也不是虛擬機(jī)規(guī)范中定義的內(nèi)存區(qū)域，但是這部分內(nèi)存也被頻繁地使用。而且也可能導(dǎo)致 OutOfMemoryError 異常出現(xiàn)。

JDK1.4 中新加入的NIO(New Input/Output) 類，引入了一種基于通道(Channel)與緩存區(qū)(Buffer)的 I/O 方式，它可以直接使用 Native 函數(shù)庫直接分配堆外內(nèi)存，然后通過一個存儲在 Java 堆中的 DirectByteBuffer 對象作為這塊內(nèi)存的引用進(jìn)行操作。這樣就能在一些場景中顯著提高性能，因為避免了在 Java 堆和 Native 堆之間來回復(fù)制數(shù)據(jù)。

本機(jī)直接內(nèi)存的分配不會收到 Java 堆的限制，但是，既然是內(nèi)存就會受到本機(jī)總內(nèi)存大小以及處理器尋址空間的限制。

三 HotSpot 虛擬機(jī)對象探秘

通過上面的介紹我們大概知道了虛擬機(jī)的內(nèi)存情況，下面我們來詳細(xì)的了解一下 HotSpot 虛擬機(jī)在 Java 堆中對象分配、布局和訪問的全過程。

3.1 對象的創(chuàng)建

下圖便是 Java 對象的創(chuàng)建過程，我建議***是能默寫出來，并且要掌握每一步在做什么。

①類加載檢查：虛擬機(jī)遇到一條 new 指令時，首先將去檢查這個指令的參數(shù)是否能在常量池中定位到這個類的符號引用，并且檢查這個符號引用代表的類是否已被加載過、解析和初始化過。如果沒有，那必須先執(zhí)行相應(yīng)的類加載過程。

②分配內(nèi)存：在類加載檢查通過后，接下來虛擬機(jī)將為新生對象分配內(nèi)存。對象所需的內(nèi)存大小在類加載完成后便可確定，為對象分配空間的任務(wù)等同于把一塊確定大小的內(nèi)存從 Java 堆中劃分出來。分配方式有“指針碰撞”和“空閑列表”兩種，選擇那種分配方式由 Java 堆是否規(guī)整決定，而Java堆是否規(guī)整又由所采用的垃圾收集器是否帶有壓縮整理功能決定。

內(nèi)存分配的兩種方式：(補(bǔ)充內(nèi)容，需要掌握)

選擇以上兩種方式中的哪一種，取決于 Java 堆內(nèi)存是否規(guī)整。而 Java 堆內(nèi)存是否規(guī)整，取決于 GC 收集器的算法是"標(biāo)記-清除"，還是"標(biāo)記-整理"(也稱作"標(biāo)記-壓縮")，值得注意的是，復(fù)制算法內(nèi)存也是規(guī)整的

內(nèi)存分配并發(fā)問題(補(bǔ)充內(nèi)容，需要掌握)

在創(chuàng)建對象的時候有一個很重要的問題，就是線程安全，因為在實際開發(fā)過程中，創(chuàng)建對象是很頻繁的事情，作為虛擬機(jī)來說，必須要保證線程是安全的，通常來講，虛擬機(jī)采用兩種方式來保證線程安全：

• CAS+失敗重試：CAS 是樂觀鎖的一種實現(xiàn)方式。所謂樂觀鎖就是，每次不加鎖而是假設(shè)沒有沖突而去完成某項操作，如果因為沖突失敗就重試，直到成功為止。虛擬機(jī)采用 CAS 配上失敗重試的方式保證更新操作的原子性。?TLAB：為每一個線程預(yù)先在Eden區(qū)分配一塊兒內(nèi)存，JVM在給線程中的對象分配內(nèi)存時，首先在TLAB分配，當(dāng)對象大于TLAB中的剩余內(nèi)存或TLAB的內(nèi)存已用盡時，再采用上述的CAS進(jìn)行內(nèi)存分配

③初始化零值：內(nèi)存分配完成后，虛擬機(jī)需要將分配到的內(nèi)存空間都初始化為零值(不包括對象頭)，這一步操作保證了對象的實例字段在 Java 代碼中可以不賦初始值就直接使用，程序能訪問到這些字段的數(shù)據(jù)類型所對應(yīng)的零值。

④設(shè)置對象頭：初始化零值完成之后，虛擬機(jī)要對對象進(jìn)行必要的設(shè)置，例如這個對象是那個類的實例、如何才能找到類的元數(shù)據(jù)信息、對象的哈希嗎、對象的 GC 分代年齡等信息。這些信息存放在對象頭中。另外，根據(jù)虛擬機(jī)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的不同，如是否啟用偏向鎖等，對象頭會有不同的設(shè)置方式。

⑤執(zhí)行 init 方法：在上面工作都完成之后，從虛擬機(jī)的視角來看，一個新的對象已經(jīng)產(chǎn)生了，但從 Java 程序的視角來看，對象創(chuàng)建才剛開始， 方法還沒有執(zhí)行，所有的字段都還為零。所以一般來說，執(zhí)行 new 指令之后會接著執(zhí)行 方法，把對象按照程序員的意愿進(jìn)行初始化，這樣一個真正可用的對象才算完全產(chǎn)生出來。

3.2 對象的內(nèi)存布局

在 Hotspot 虛擬機(jī)中，對象在內(nèi)存中的布局可以分為3塊區(qū)域：對象頭、實例數(shù)據(jù)和對齊填充。

Hotspot虛擬機(jī)的對象頭包括兩部分信息，***部分用于存儲對象自身的自身運(yùn)行時數(shù)據(jù)(哈希碼、GC分代年齡、鎖狀態(tài)標(biāo)志等等)，另一部分是類型指針，即對象指向它的類元數(shù)據(jù)的指針，虛擬機(jī)通過這個指針來確定這個對象是那個類的實例。

實例數(shù)據(jù)部分是對象真正存儲的有效信息，也是在程序中所定義的各種類型的字段內(nèi)容。

對齊填充部分不是必然存在的，也沒有什么特別的含義，僅僅起占位作用。因為Hotspot虛擬機(jī)的自動內(nèi)存管理系統(tǒng)要求對象起始地址必須是8字節(jié)的整數(shù)倍，換句話說就是對象的大小必須是8字節(jié)的整數(shù)倍。而對象頭部分正好是8字節(jié)的倍數(shù)(1倍或2倍)，因此，當(dāng)對象實例數(shù)據(jù)部分沒有對齊時，就需要通過對齊填充來補(bǔ)全。

3.3 對象的訪問定位

建立對象就是為了使用對象，我們的Java程序通過棧上的 reference 數(shù)據(jù)來操作堆上的具體對象。對象的訪問方式有虛擬機(jī)實現(xiàn)而定，目前主流的訪問方式有①使用句柄和②直接指針兩種：

• 句柄：如果使用句柄的話，那么Java堆中將會劃分出一塊內(nèi)存來作為句柄池，reference 中存儲的就是對象的句柄地址，而句柄中包含了對象實例數(shù)據(jù)與類型數(shù)據(jù)各自的具體地址信息;

• 直接指針： 如果使用直接指針訪問，那么 Java 堆對象的布局中就必須考慮如何放置訪問類型數(shù)據(jù)的相關(guān)信息，而reference 中存儲的直接就是對象的地址。

這兩種對象訪問方式各有優(yōu)勢。使用句柄來訪問的***好處是 reference 中存儲的是穩(wěn)定的句柄地址，在對象被移動時只會改變句柄中的實例數(shù)據(jù)指針，而 reference 本身不需要修改。使用直接指針訪問方式***的好處就是速度快，它節(jié)省了一次指針定位的時間開銷。

四 重點(diǎn)補(bǔ)充內(nèi)容

String 類和常量池

1 String 對象的兩種創(chuàng)建方式：

這兩種不同的創(chuàng)建方法是有差別的，***種方式是在常量池中拿對象，第二種方式是直接在堆內(nèi)存空間創(chuàng)建一個新的對象。

記?。褐灰褂胣ew方法，便需要創(chuàng)建新的對象。

2 String 類型的常量池比較特殊。它的主要使用方法有兩種：

• 直接使用雙引號聲明出來的 String 對象會直接存儲在常量池中。?如果不是用雙引號聲明的 String 對象，可以使用 String 提供的 intern 方法。String.intern() 是一個 Native 方法，它的作用是：如果運(yùn)行時常量池中已經(jīng)包含一個等于此 String 對象內(nèi)容的字符串，則返回常量池中該字符串的引用;如果沒有，則在常量池中創(chuàng)建與此 String 內(nèi)容相同的字符串，并返回常量池中創(chuàng)建的字符串的引用。

 

字符串拼接

盡量避免多個字符串拼接，因為這樣會重新創(chuàng)建對象。如果需要改變字符串的話，可以使用 StringBuilder 或者 StringBuffer。

這句話創(chuàng)建了幾個對象?

創(chuàng)建了兩個對象。

驗證：

結(jié)果：

解釋：

先有字符串"abc"放入常量池，然后 new 了一份字符串"abc"放入Java堆(字符串常量"abc"在編譯期就已經(jīng)確定放入常量池，而 Java 堆上的"abc"是在運(yùn)行期初始化階段才確定)，然后 Java 棧的 str1 指向Java堆上的"abc"。

8種基本類型的包裝類和常量池

• Java 基本類型的包裝類的大部分都實現(xiàn)了常量池技術(shù)，即Byte,Short,Integer,Long,Character,Boolean;這5種包裝類默認(rèn)創(chuàng)建了數(shù)值[-128，127]的相應(yīng)類型的緩存數(shù)據(jù)，但是超出此范圍仍然會去創(chuàng)建新的對象。?兩種浮點(diǎn)數(shù)類型的包裝類 Float,Double 并沒有實現(xiàn)常量池技術(shù)。

 

Integer 緩存源代碼：

應(yīng)用場景：

• Integer i1=40;Java 在編譯的時候會直接將代碼封裝成Integer i1=Integer.valueOf(40);，從而使用常量池中的對象。
• Integer i1 = new Integer(40);這種情況下會創(chuàng)建新的對象。

 

Integer比較更豐富的一個例子:

結(jié)果：

解釋：

語句i4 == i5 + i6，因為+這個操作符不適用于Integer對象，首先i5和i6進(jìn)行自動拆箱操作，進(jìn)行數(shù)值相加，即i4 == 40。然后Integer對象無法與數(shù)值進(jìn)行直接比較，所以i4自動拆箱轉(zhuǎn)為int值40，最終這條語句轉(zhuǎn)為40 == 40進(jìn)行數(shù)值比較。

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