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JVM常见面试题（二）：JVM是什么、由哪些部分组成、运行流程，JDK、JRE、JVM关系；程序计数器，堆，虚拟机栈，堆栈的区别是什么，方法区，直接内存

2024-08-01 104
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简介： JVM常见面试题（二）：JVM是什么、由哪些部分组成、运行流程是什么，JDK、JRE、JVM的联系与区别；什么是程序计数器，堆，虚拟机栈，栈内存溢出，堆栈的区别是什么，方法区，直接内存

目录

一、JVM基本介绍——概念、组成、重点

  • 1.1 JVM是什么
  • 1.2 JVM由哪些部分组成，运行流程是什么？
  • 1.3 JDK、JRE、JVM 关系
  • 1.4 学习什么

二、JVM组成

  • 2.1 什么是程序计数器
  • 2.2 你能详细地介绍堆吗
  • 2.3 什么是虚拟机栈
  • 2.4 垃圾回收是否涉及栈内存
  • 2.5 栈内存分配越大越好吗
  • 2.6 方法内的局部变量是否线程安全
  • 2.7 什么情况下会导致栈内存溢出
  • 2.8 堆栈的区别是什么
  • 2.9 介绍下方法区
  • 2.10 直接内存
  • 2.11 总结
javap -v  xx.class    #打印堆栈大小，局部变量的数量和方法的参数

一、JVM基本介绍——概念、组成、重点

1.1 JVM是什么

JVM（Java Virtual Machine，即java虚拟机），java程序的运行环境（java二进制字节码的运行环境）。

JVM是一种用于计算设备的规范，它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。针对java用户，也就是拥有可运行的.class文件包（jar或者war）的用户。里面主要包含了jvm和java运行时基本类库（rt.jar）。rt.jar可以简单粗暴地理解为：它就是java源码编译成的jar包。Java虚拟机在执行字节码时，把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。这就是Java能够“一次编译，到处运行”的原因。

JVM是Java跨平台的关键，因为它屏蔽了不同操作系统之间的差异，可以让相同的Java程序在不同的操作系统上运行出相同的结果。

好处：

  • 一次编写，到处运行
  • 自动内存管理，垃圾回收机制

1-1.png

1-2.png

1.2 JVM由哪些部分组成，运行流程是什么？

1-3.png

  • JVM由哪些部分组成：类加载子系统，运行数据区（方法区、堆、程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈），执行引擎（解释器、即使编辑器、垃圾回收）、本地库接口

  • JVM包含两个子系统和两个组件，两个子系统为Class loader(类装载器)、Execution engine(执行引擎)；两个组件为Runtime data area(运行时数据区)、Native Interface(本地库接口)

    • Class loader(类加载器)：根据给定的全限定名类名(如：java.lang.Object)来装载class文件到运行时数据区中的方法区；

    • Execution engine（执行引擎）：执行引擎也叫解释器，负责解释命令，交由操作系统执行；

    • Native Interface(本地接口)：与native libraries交互，是其它编程语言交互的接口。

    • Runtime data area(运行时数据区域)：这就是我们常说的JVM的内存，我们所有写的程序都被加载到这里，之后才开始运行。由五部分组成，Method Area/MateSpace 方法区/元空间、Heap 堆、PC Register 程序计数器、JVM Stacks 虚拟机栈、Nativa Method Stacks 本地方法栈

  • 运行流程、作用 ：首先通过编译器把 Java 代码转换成字节码，类加载器（ClassLoader）再把字节码加载到内存中，将其放在运行时数据区（Runtime data area）的方法区内；而字节码文件只是 JVM 的一套指令集规范，并不能直接交给底层操作系统去执行，因此需要特定的命令解析器执行引擎（Execution Engine），将字节码翻译成底层系统指令，再交由 CPU 去执行，而这个过程中需要调用其他语言的本地库接口（Native Interface）来实现整个程序的功能。

  • GC垃圾回收主要针对 运行数据区中的堆空间。

1.3 JDK、JRE、JVM 关系

我们在 JVM常见面试题（一）：JVM是什么、由哪些部分组成、运行流程是什么，JDK、JRE、JVM的联系与区别 中已详细介绍过JDK、JRE、JVM的联系与区别，此处简单讲解下：

JDK（Java Development Kit，Java开发工具包）、JRE（Java Runtime Environment，Java运行时环境）、JVM（Java Virtual Machine，即java虚拟机）。

JDK是 Java 语言的软件开发工具包(SDK)。在JDK的安装目录下有一个jre目录，里面有两个文件夹bin和lib，在这里可以认为bin里的就是jvm，lib中则是jvm工作所需要的类库，而jvm和 lib合起来就称为jre。

1-4.png

  • JDK包含了JRE，JRE包含了JVM。
  • 如果只想运行Java程序，只需安装JRE即可（少数情况例外）；如果想要开发Java程序，则需要安装JDK。
  • JDK是用于java程序的开发，而jre则是只能运行class而没有编译的功能；Java虚拟机在执行字节码时，把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。这就是Java的能够“一次编译，到处运行”的原因。

1-5.png

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1.4 学习什么

1-8.png

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二、JVM组成

2.1 什么是程序计数器

程序计数器：线程私有的，内部保存的字节码的行号。用于记录正在执行的字节码指令的地址。

2-1.png

javap -v xx.class    #打印堆栈大小，局部变量的数量和方法的参数

2-2.png

2.2 你能详细地介绍堆吗

线程共享的区域：主要用来保存对象实例，数组等，当堆中没有内存空间可分配给实例，也无法再扩展时，则抛出OutOfMemoryError异常。

2-3.png

Java堆主要组成部分：

  • 元空间保存的类信息、静态变量、常量、编译后的代码（Jdk1.8引入）
  • 年轻代被划分为三部分，Eden区和两个大小严格相同的Survivor区，根据JVM的策略，在经过几次垃圾收集后，任然存活于Survivor的对象将被移动到老年代区间。
  • 老年代主要保存生命周期长的对象，一般是一些老的对象

2-4.png

总结：你能详细地介绍Java堆吗？

  • 线程共享的区域：主要用来保存对象实例，数组等，内存不够则抛出OutOfMemoryError异常
  • 组成：年轻代+老年代
    • 年轻代被划分为三部分，Eden区和两个大小严格相同的Survivor区
    • 老年代主要保存生命周期长的对象，一般是一些老的对象
  • Jdk1.7和1.8的区别
    • 1.7中有有一个永久代，存储的是类信息、静态变量、常量、编译后的代码
    • 1.8移除了永久代，把数据存储到了本地内存的元空间中，防止内存溢出

2.3 什么是虚拟机栈

Java Virtual machine Stacks (java 虚拟机栈)，早期也叫Java栈。每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈，其内部保存一个个栈帧(stack Frame) ，对应着一次次的Java方法调用。一次方法的调用，就是栈帧入栈到出栈的过程；

虚拟机栈是线程私有的，生命周期和线程一致，其作用为 主管Java程序的运行，它保存方法的局部变量（8大基本数据类型、对象的引用地址）、部分结果，并参与方法的调用和返回

每个线程都有自己的栈，栈中的数据都是以栈帧(stack Frame)的格式存在。栈帧是一个内存区块，是一个数据集，维系着方法执行过程中的各种数据信息，存储：局部变量表(Local variables)、操作数栈(operand stack) (或表达式栈)、动态链接(Dynamic Linking) (或指向运行时常量池的方法引用)、方法返回地址(Return Address) (或方法正常退出或者异常退出的定义)、一些附加信息

  • 每个线程运行时所需要的内存，称为虚拟机栈，先进后出
  • 每个栈由多个栈帧（frame）组成，对应着每次方法调用时所占用的内存。栈帧对应的方法执行完后，栈会将该方法对应的栈帧弹出栈，释放内存
  • 每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的那个方法

2-5.png

2-6.png

多线程下

2-7.png

public class StackTest {
   
    public static void main(String[] args) {
   
        StackTest stackTest = new StackTest();
        stackTest.methodA();
    }

    public void methodA() {
   
        int i = 10;
        int j = 20;
        methodB();
    }

    private void methodB() {
   
        int k = 30;
        int m = 40;
    }
}

2-8.png

补充：本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的。其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。

2.4 垃圾回收是否涉及栈内存

垃圾回收主要指就是堆内存，不涉及栈内存，当栈帧弹栈以后，内存就会释放。

1）什么是垃圾回收？

垃圾回收（Garbage Collection，GC），顾名思义就是释放垃圾占用的空间，防止内存泄露。有效地使用可以使用的内存，对内存堆中已经死亡的或者长时间没有使用的对象进行清除和回收。

2）结合2.5，因为栈帧对应的方法执行完后，栈会将该方法对应的栈帧弹出栈，释放内存，因此垃圾回收不涉及栈内存。

2.5 栈内存分配越大越好吗

未必，默认的栈内存通常为1024k

栈帧过大会导致线程数变少，例如，机器总内存为512m，目前能活动的线程数则为512个（512m/1024k=512）；如果把栈内存改为2048k，那么能活动的栈帧就会减半（512m/2048k=256）

（栈内存的大小不会影响方法执行的速度，而且由于计算机硬件的储存大小是有限的，栈空间内存设置过大，创建线程数量较多时会出现栈内存溢出OutofMemoryError，导致最大线程数减少，得不偿失。同时，栈内存也决定方法调用的深度，栈内存过小则会导致方法调用的深度较小，如递归调用的次数较少）

2.6 方法内的局部变量是否线程安全

  • 如果方法内局部变量没有逃离方法的作用范围，它是线程安全的
  • 如果是局部变量引用了对象，并逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全

2-9.png

2.7 什么情况下会导致栈内存溢出

  • 栈帧过多导致栈内存溢出。典型问题：递归调用，没有结束语句，一直递归调用方法，导致栈帧过多、栈内存溢出
  • 栈帧过大导致栈内存溢出。单个栈帧的所需要的内存超出了栈内存大小
public static void m4(){
   
    m4();
}

java.lang.StackOverflowError

2.8 堆栈的区别是什么

  • 栈内存一般会用来存储局部变量和方法调用，但堆内存是用来存储Java对象和数组的的。堆会GC垃圾回收，而栈不会。
  • 栈内存是线程私有的，而堆内存是线程共有的。
  • 两者异常错误不同，但如果栈内存或者堆内存不足都会抛出异常。
    • 栈空间不足：java.lang.StackOverFlowError。
    • 堆空间不足：java.lang.OutOfMemoryError。

2.9 介绍下方法区

  • 方法区(Method Area)是各个线程共享的内存区域
  • 主要存储类的信息、运行时常量池
  • 虚拟机启动的时候创建，关闭虚拟机时释放
  • 如果方法区域中的内存无法满足分配请求，则会抛出OutOfMemoryError: Metaspace

2-10.png

常量池

可以看作是一张表，虚拟机指令根据这张常量表找到要执行的类名、方法名、参数类型、字面量等信息

javap -v Application.class    #查看字节码结构（类的基本信息、常量池、方法定义）

2-11.png

运行时常量池

常量池是 *.class 文件中的，当该类被加载，它的常量池信息就会放入运行时常量池，并把里面的符号地址变为真实地址

2-12.png

2.10 直接内存

直接内存：并不属于JVM中的内存结构，不由JVM进行管理。是虚拟机的系统内存，常见于 NIO 操作时，用于数据缓冲区，它分配回收成本较高，但读写性能高。

举例：Java代码完成文件拷贝

2-13.png

常规IO的数据拷贝流程

2-14.png

NIO数据拷贝流程

2-15.png

2.11 总结

1）什么是程序计数器

线程私有的，每个线程一份，内部保存的字节码的行号。用于记录正在执行的字节码指令的地址。

2）你能详细地介绍Java堆吗

  • 线程共享的区域：主要用来保存对象实例，数组等，内存不够则抛出OutOfMemoryError异常
  • 组成：年轻代+老年代
    • 年轻代被划分为三部分，Eden区和两个大小严格相同的Survivor区
    • 老年代主要保存生命周期长的对象，一般是一些老的对象
  • Jdk1.7和1.8的区别
    • 1.7中有有一个永久代，存储的是类信息、静态变量、常量、编译后的代码
    • 1.8移除了永久代，把数据存储到了本地内存的元空间中，防止内存溢出

3）什么是虚拟机栈

每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈，其内部保存一个个栈帧(stack Frame) ，对应着一次次的Java方法调用。一次方法的调用，就是栈帧入栈到出栈的过程。

  • 每个线程运行时所需要的内存，称为虚拟机栈，先进后出
  • 每个栈由多个栈帧（frame）组成，对应着每次方法调用时所占用的内存。栈帧对应的方法执行完后，栈会将该方法对应的栈帧弹出栈，释放内存
  • 每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的那个方法

4）垃圾回收是否涉及栈内存

垃圾回收主要指就是堆内存，不涉及栈内存，当栈帧弹栈以后，内存就会释放。

5）栈内存分配越大越好吗

未必，默认的栈内存通常为1024k，栈帧过大会导致线程数变少。

6）方法内的局部变量是否线程安全

  • 如果方法内局部变量没有逃离方法的作用范围，它是线程安全的
  • 如果是局部变量引用了对象，并逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全

7）什么情况下会导致栈内存溢出

  • 栈帧过多导致栈内存溢出。典型问题：递归调用，没有结束语句，一直递归调用方法，导致栈帧过多、栈内存溢出
  • 栈帧过大导致栈内存溢出。单个栈帧的所需要的内存超出了栈内存大小

8）堆栈的区别是什么

  • 栈内存一般会用来存储局部变量和方法调用，但堆内存是用来存储Java对象和数组的的。堆会GC垃圾回收，而栈不会。
  • 栈内存是线程私有的，而堆内存是线程共有的。
  • 两者异常错误不同，但如果栈内存或者堆内存不足都会抛出异常。
    • 栈空间不足：java.lang.StackOverFlowError。
    • 堆空间不足：java.lang.OutOfMemoryError。

9）解释一下方法区

  • 方法区(Method Area)是各个线程共享的内存区域
  • 主要存储类的信息、运行时常量池
  • 虚拟机启动的时候创建，关闭虚拟机时释放
  • 如果方法区域中的内存无法满足分配请求，则会抛出OutOfMemoryError: Metaspace

10）介绍一下运行时常量池

  • 常量池：可以看作是一张表，虚拟机指令根据这张常量表找到要执行的类名、方法名、参数类型、字面量等信息
  • 当类被加载，它的常量池信息就会放入运行时常量池，并把里面的符号地址变为真实地址

11）直接内存

  • 并不属于JVM中的内存结构，不由JVM进行管理。是虚拟机的系统内存
  • 常见于 NIO 操作时，用于数据缓冲区，分配回收成本较高，但读写性能高，不受 JVM 内存回收管理

参考 黑马程序员相关视频与笔记

文章标签：
云虚拟主机
Java
存储
安全
程序员
编译器
关键词：
面试流程
堆内存
虚拟机内存
JVM内存
云虚拟主机内存
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