一文了解JVM面试篇（上）

Java内存区域

1、如何解释 Java 堆空间及 GC？

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当通过 Java 命令启动 Java 进程的时候，会为它分配内存。内存的一部分用于创建

堆空间，当程序中创建对象的时候，就从对空间中分配内存。GC 是 JVM 内部的一

个进程，回收无效对象的内存用于将来的分配。

2、JVM 的主要组成部分及其作用？

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组成部分：

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• JVM 包含两个子系统和两个组件，两个子系统为：Class loader(类装载)和

  Executionengine(执行引擎)；

• 两个组件为 Runtime data area(运行时数据区)、Native Interface(本地接

  口)。

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1. Class loader(类装载)：
   
   根据给定的全限定名类名(如：java.lang.Object)来装载class 文件到

   Runtime data area 中的 method area。

2. Execution engine（执行引擎）：执行 classes 中的指令。

3. Native Interface(本地接口)：与 native libraries 交互，是其它编程语言交

   互的接口。

4. Runtime data area(运行时数据区域)：这就是我们常说的 JVM 的内存。

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作用：

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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。

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3、Java 程序运行机制详细说明

Java 程序运行机制步骤

• 首先利用 IDE 集成开发工具编写 Java 源代码，源文件的后缀为.java；

• 再利用编译器(javac 命令)将源代码编译成字节码文件，字节码文件的后缀名

  为.class；

• 运行字节码的工作是由解释器(java 命令)来完成的。

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从上图可以看，java 文件通过编译器变成了.class 文件，接下来类加载器又将这

些.class 文件加载到 JVM 中。

其实可以一句话来解释：类的加载指的是将类的.class 文件中的二进制数据读入到

内存中，将其放在运行时数据区的方法区内，然后在堆区创建一个java.lang.Class

对象，用来封装类在方法区内的数据结构。

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4、JVM 内存模型

Java 虚拟机在执行 Java 程序的过程中会把它所管理的内存区域划分为若干个不同

的数据区域。这些区域都有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有些区域随着虚

拟机进程的启动而存在，有些区域则是依赖线程的启动和结束而建立和销毁。Java

虚拟机所管理的内存被划分为如下几个区域：

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1. 程序计数器（Program Counter Register）：当前线程所执行的字节码的行

   号指示器，字节码解析器的工作是通过改变这个计数器的值，来选取下一条

   需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功

   能，都需要依赖这个计数器来完成；

2. Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）：用于存储局部变量表、操

   作数栈、动态链接、方法出口等信息；

3. 本地方法栈（Native Method Stack）：与虚拟机栈的作用是一样的，只不

   过虚拟机栈是服务 Java 方法的，而本地方法栈是为虚拟机调用 Native 方法

   服务的；

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• Java 堆（Java Heap）：Java 虚拟机中内存最大的一块，是被所有线程共享

  的，几乎所有的对象实例都在这里分配内存；

• 方法区（Methed Area）：用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态

  变量、即时编译后的代码等数据。

深拷贝和浅拷贝

• 浅拷贝（shallowCopy）只是增加了一个指针指向已存在的内存地址；

• 深拷贝（deepCopy）是增加了一个指针并且申请了一个新的内存，使这个增

  加的指针指向这个新的内存；

使用深拷贝的情况下，释放内存的时候不会因为出现浅拷贝时释放同一个内存的错

误。

• 浅复制：仅仅是指向被复制的内存地址，如果原地址发生改变，那么浅复制

  出来的对象也会相应的改变。

• 深复制：在计算机中开辟一块新的内存地址用于存放复制的对象。

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堆栈的区别

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物理地址

• 堆的物理地址分配对对象是不连续的。因此性能慢些。在 GC 的时候也要考
  
  虑到不连续的分配，所以有各种算法。比如，标记-消除，复制，标记-压缩，分代（即新生代使用复制算法，老年代使用标记——压缩）。

• 栈使用的是数据结构中的栈，先进后出的原则，物理地址分配是连续的。所

  以性能快。

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内存分别

• 堆因为是不连续的，所以分配的内存是在运行期确认的，因此大小不固定。一般

  堆大小远远大于栈。

• 栈是连续的，所以分配的内存大小要在编译期就确认，大小是固定的。

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存放的内容

• 堆存放的是对象的实例和数组。因此该区更关注的是数据的存储

• 栈存放：局部变量，操作数栈，返回结果。该区更关注的是程序方法的执行。

例如：

1. 静态变量放在方法区

2. 静态的对象还是放在堆

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程序的可见度

• 堆对于整个应用程序都是共享、可见的。

• 栈只对于线程是可见的。所以也是线程私有。他的生命周期和线程相同。

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Java 中堆和栈的区别

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JVM 中堆和栈属于不同的内存区域，使用目的也不同。栈常用于保存方法帧和局部

变量，而对象总是在堆上分配。栈通常都比堆小，也不会在多个线程之间共享，而堆

被整个JVM 的所有线程共享。

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队列和栈是什么？有什么区别？

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队列和栈都是被用来预存储数据的。

• 操作的名称不同。队列的插入称为入队，队列的删除称为出队。栈的插入称

  为进栈，栈的删除称为出栈。

• 可操作的方式不同。队列是在队尾入队，队头出队，即两边都可操作。而栈

  的进栈和出栈都是在栈顶进行的，无法对栈底直接进行操作。

• 操作的方法不同。队列是先进先出（FIFO），即队列的修改是依先进先出的

  原则进行的。新来的成员总是加入队尾（不能从中间插入），每次离开的成员

  总是队列头上（不允许中途离队）。而栈为后进先出（LIFO）,即每次删除（出

  栈）的总是当前栈中最新的元素，即最后插入（进栈）的元素，而最先插入的

  被放在栈的底部，要到最后才能删除。

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虚拟机栈(线程私有)

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1. 它是描述 java 方法执行的内存模型，每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧

   （Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。

   每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到

   出栈的过程。

2. 栈帧（ Frame）是用来存储数据和部分过程结果的数据结构，同时也被用来处

   理动态链接(Dynamic Linking),方法返回值和异常分派(DispatchException）。

   栈帧随着方法调用而创建，随着方法结束而销毁——无论方法是正常完成还是

   异常完成（抛出了在方法内未被捕获的异常）都算作方法束。

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程序计数器(线程私有)

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一块较小的内存空间, 是当前线程所执行的字节码的行号指示器，每条线程都

要有一个独立的程序计数器，这类内存也称为“线程私有” 的内存。

正在执行 java 方法的话，计数器记录的是虚拟机字节码指令的地址（当前指

令的地址） 。如果还是 Native 方法，则为空。这个内存区域是唯一一个在

虚拟机中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域。

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什么是直接内存？

直接内存并不是 JVM 运行时数据区的一部分, 但也会被频繁的使用: 在JDK 1.4 引入

的 NIO 提供了基于 Channel 与 Buffer 的 IO 方式, 它可以使用 Native 函数库直接

分配堆外内存, 然后使用 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作(详见:

Java I/O 扩展), 这样就避免了在 Java 堆和 Native 堆中来回复制数据, 因此在一些

场景中可以显著提高性能。

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