面试篇：JVM虚拟机

一、JVM介绍，JVM运行流程

1、什么是JVM

Java Virtual Machine：Java程序的运行环境 (java二进制字节码的运行环境)

好处：

一次编写，到处运行
自动内存管理，垃圾回收机制

2、JVM运行流程

二、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。

对于每个方法，都会将代码转换为字节码，字节码中的行号就是代码的执行顺序，而每个线程根据自己的程序计数器来确定执行的行号

如上图，对于线程1，从第1行开始执行，执行到第10行之后切换到了线程2。线程2从第1行开始执行，执行到了第9行，然后又切换到了线程1，但是此刻线程1不是从第1行开始执行的，而是根据自己的程序计数器来确定继续从第10行往下执行。

1、概括

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。

三、详细介绍一下堆

1、介绍

Java堆是一个线程共享的区域：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。

如上图是Java7和Java8的内存结构

首先说Java8，Java8中有年轻代和老年代。年轻代分为伊甸园（Eden）和两个幸存区（Survivor ）。新产生的对象就会存放在伊甸园区，当进行Minor GC的时候就会将伊甸园中的部分垃圾回收，存留下来的会保存到幸存区。当幸存区的对象年龄超过15次时候没被垃圾回收就会进入老年代。详细步骤后面会进行讲解。

方法区保存的是Class类。Java8将方法区/永久代取消了，转到了本地内存。因为Java7中的方法区/永久代如果空间设置少了，就会造成堆空间内存溢出出现OOM，空间设置大了，就会造成堆空间浪费。所以移动到了本地内存。

2、概括

你能给我详细的介绍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。

四、什么是虚拟机栈？

Java Virtual machine Stacks (java 虚拟机栈)

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，栈帧保存的是当前方法的参数、局部变量、返回地址等。
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。

在这里插入图片描述

1、垃圾回收是否涉及栈内存?

垃圾回收主要指就是堆内存，当栈帧弹栈以后，内存就会释放

2、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，如果把栈内存改为2048k，那么能活动的栈帧就会减半

3、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。

如上图：

对于方法m1，它是线程安全的，因为方法没有局部变量和返回值，所以不存在被其他线程修改的情况。
对于方法m2，它是线程不安全的，因为方法有局部变量，存在着被其他线程修改的情况。
对于方法m3，它是线程不安全的，因为方法有返回值，这个返回值可能存在被其他线程修改的情况。

4、栈内存溢出情况

栈帧过多导致栈内存溢出，典型问题:递归调用
栈帧过大导致栈内存溢出

5、概括

什么是虚拟机栈？

每个线程运行时所需要的内存，称为虚拟机栈
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

垃圾回收是否涉及栈内存?

垃圾回收主要指就是堆内存，当栈帧弹栈以后，内存就会释放

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

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

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
栈帧过大导致栈内存溢出

堆栈的区别是什么?

栈内存一般会用来存储局部变量方法调用，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。

五、请解释下方法区

1、介绍方法区

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。

JDK1.8中将方法区移动到了直接内存的元空间中

2、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。

首先如左图，里面有方法的机器指令，当执行行号为0的字节码指令的时候，就会根据该行字节码#2然后到常量池表中找到#2所在的位置，然后进行翻译，这样才能执行该行的指令，知道该行指令的作用。

3、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

如上图，运行时常量池将符号改为内存地址。因为只有获得真正的内存地址才能执行代码指令

4、概括

能不能解释一下方法区?

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

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，T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

六、堆，虚拟机栈，方法区分别存储的是什么？

1、堆

堆存储的是使用new关键字创建的类（对象或者类的实例）或者数组的（含成员变量）

2、栈

栈存放的是基本类型的变量数据和对象的引用。

对象的声明引用解释：

对象本身不存放在栈中，而是存放在堆（new 出来的对象）或者常量池中（字符串常量对象存放在常量池中），在Java中，当我们使用new关键字创建一个对象时，这个对象会被存储在堆中，并返回一个引用，这个引用会被存储在栈中。这个引用指向了堆中的对象，我们可以通过这个引用来访问和操作这个对象。

public class StackExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 声明一个int类型的变量num，存储在栈中
        int num = 10;
        // 声明一个String类型的变量name，存储在栈中
        String name = "Bing";
        // 输出num和name的值
        System.out.println(num + " " + name);
    }
}

3、方法区

Java方法区（Method Area）用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、动态生成的类等数据。方法区在JVM启动的时候被创建，并且它的实际的物理内存空间中和Java堆区一样都可以是不连续的。方法区的大小，跟堆空间一样，可以选择固定大小或者可扩展。

七、请解释直接内存

直接内存:并不属于JM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。

Java代码完成文件拷贝

1、常规IO数据拷贝流程

java本身不具备磁盘的读写功能，如果调用磁盘读写，必须调用操作系统所提供的函数。

当调用操作系统所提供的IO方法的时候，就会设计CPU的状态切换，首先从用户态切换到内核态，当切换到内核态的时候，就通过系统提供的函数读取磁盘中的文件，读取的文件会分批次保存在操作系统内存划出的一片系统缓存区。但是系统缓存区java无法去获取，所以java会在堆中分配一片内存名为java缓冲区，将系统缓存区读到java缓冲区中。

读到java缓冲区后CPU切换到用户态，通过输出流写出操作，反复读取，然后将文件读到目标位置。

但是有个问题就是两个缓冲区会对性能产生巨大的影响