1. JVM内存模型

1.1 运行时数据区

• 程序计数器：线程私有，记录当前线程执行的字节码行号指示器

• Java虚拟机栈：线程私有，存储栈帧（局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等）

• 本地方法栈：为Native方法服务

• Java堆：所有线程共享，存放对象实例，是GC主要区域

• 方法区：存储已被加载的类信息、常量、静态变量等

1.2 内存分配策略

• 对象优先在Eden区分配

• 大对象直接进入老年代

• 长期存活的对象进入老年代（默认15次GC后晋升）

• 动态对象年龄判定（Survivor区中相同年龄对象总大小超过一半，则大于等于该年龄的对象直接进入老年代）

2. 垃圾回收机制

2.1 判断对象是否可回收

• 引用计数法：简单但无法解决循环引用问题

• 可达性分析算法：通过GC Roots对象作为起点，判断对象引用链是否可达

2.2 垃圾回收算法

• 标记-清除：简单但会产生内存碎片

• 复制算法：将内存分为两块，每次使用一块，回收时将存活对象复制到另一块

• 标记-整理：标记后让存活对象向一端移动，然后清理边界外内存

• 分代收集：根据对象存活周期将堆分为新生代和老年代，采用不同算法

2.3 常见垃圾收集器

• Serial：单线程，适用于客户端应用

• ParNew：Serial的多线程版本

• Parallel Scavenge：吞吐量优先的收集器

• CMS：低停顿时间的收集器，采用标记-清除算法

• G1：面向服务端的收集器，整体采用标记-整理算法，局部采用复制算法

3. 类加载机制

3.1 类加载过程

1. 加载：获取类的二进制字节流

2. 验证：确保Class文件符合规范

3. 准备：为类变量分配内存并设置初始值

4. 解析：将符号引用转为直接引用

5. 初始化：执行类构造器<clinit>()方法

3.2 类加载器

• 启动类加载器：加载<JAVA_HOME>/lib目录下的类

• 扩展类加载器：加载<JAVA_HOME>/lib/ext目录下的类

• 应用程序类加载器：加载用户类路径上的类

• 自定义类加载器：用户自定义实现

3.3 双亲委派模型

• 子类加载器先委托父类加载器加载

• 父类加载器无法完成加载时，子类加载器才尝试自己加载

• 优点：避免重复加载，保证核心类安全

4. JVM性能调优

4.1 常用JVM参数

• -Xms：初始堆大小

• -Xmx：最大堆大小

• -Xmn：新生代大小

• -XX:SurvivorRatio：Eden与Survivor区比例

• -XX:NewRatio：新生代与老年代比例

• -XX:MaxTenuringThreshold：对象晋升老年代的年龄阈值

4.2 调优工具

• jps：查看Java进程

• jstat：监控JVM统计信息

• jmap：生成堆转储快照

• jstack：生成线程快照

• VisualVM：可视化监控工具

• MAT：内存分析工具

5. 常见面试问题

5.1 JVM内存结构

JVM内存主要分为以下几个区域：

• 方法区(Method Area)：存储类信息、常量、静态变量等数据

• 堆(Heap)：对象实例的存储区域，是GC主要管理的区域

• 虚拟机栈(VM Stack)：线程私有，存储局部变量表、操作数栈等

• 本地方法栈(Native Method Stack)：为本地方法服务

• 程序计数器(Program Counter Register)：线程私有，记录当前线程执行的位置

5.2 对象回收判断

判断对象是否可回收的算法：

1. 引用计数法：每个对象维护引用计数器，为0时回收。简单但无法解决循环引用问题。

2. 可达性分析：从GC Roots对象开始遍历引用链，不可达的对象判定为可回收。GC Roots包括：

   • 虚拟机栈中引用的对象

   • 方法区中类静态属性引用的对象

   • 方法区中常量引用的对象

   • 本地方法栈中JNI引用的对象

5.3 垃圾回收算法

标记-清除算法(Mark-Sweep)

• 过程：标记所有需要回收的对象，然后统一清除

• 优点：实现简单

• 缺点：产生内存碎片，效率不高

复制算法(Copying)

• 过程：将内存分为两块，每次只使用一块，存活对象复制到另一块

• 优点：无内存碎片

• 缺点：内存利用率只有50%

标记-整理算法(Mark-Compact)

• 过程：标记后让存活对象向一端移动，然后清理边界外的内存

• 优点：无内存碎片，内存利用率高

• 缺点：移动对象成本高

分代收集算法(Generational Collection)

• 新生代：使用复制算法(如Serial、ParNew收集器)

• 老年代：使用标记-清除或标记-整理算法(如CMS、Serial Old收集器)

5.4 CMS与G1收集器比较

CMS(Concurrent Mark Sweep)

• 特点：以最短回收停顿时间为目标，标记-清除算法

• 过程：

  1. 初始标记(STW)

  2. 并发标记

  3. 重新标记(STW)

  4. 并发清除

• 优点：并发收集，低停顿

• 缺点：产生内存碎片，CPU敏感

G1(Garbage-First)

• 特点：面向服务端应用，整体基于标记-整理，局部基于复制算法

• 优点：

  • 可预测停顿时间

  • 高吞吐量

  • 无内存碎片问题

• 适用场景：大内存(6GB以上)应用

5.5 双亲委派模型

类加载器层次结构：

1. 启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)：加载<JAVA_HOME>/lib目录

2. 扩展类加载器(Extension ClassLoader)：加载<JAVA_HOME>/lib/ext目录

3. 应用程序类加载器(Application ClassLoader)：加载用户类路径

工作流程：子类加载器先委托父类加载器加载，父类无法完成时子类才尝试加载

优点：

• 避免重复加载

• 保证核心类库安全(如java.lang.Object只能由启动类加载器加载)

5.6 内存泄漏排查

排查步骤：

1. 监控工具：使用jstat、VisualVM等工具观察内存变化

2. 堆转储：jmap -dump:format=b,file=heap.hprof <pid>

3. 分析工具：MAT(Memory Analyzer Tool)、JProfiler分析堆转储文件

4. 常见泄漏点：

   • 静态集合类

   • 未关闭的资源(连接、流等)

   • 监听器未注销

   • 不合理的缓存设计

5.7 JVM调优参数

常用参数：

• 堆内存：
  • -Xms：初始堆大小
  • -Xmx：最大堆大小
  • -Xmn：新生代大小
• GC相关：
  • -XX:+UseConcMarkSweepGC：使用CMS收集器
  • -XX:+UseG1GC：使用G1收集器
  • -XX:MaxGCPauseMillis：最大GC停顿时间目标
• 其他：
  • -XX:MetaspaceSize：元空间初始大小
  • -XX:MaxMetaspaceSize：元空间最大大小
  • -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError：OOM时自动生成堆转储

5.8 线程死锁分析

排查方法：

1. 获取线程快照：jstack <pid> > thread_dump.log

2. 分析死锁：查找"Found one Java-level deadlock"部分

3. 工具分析：使用VisualVM、JConsole等工具查看线程状态

4. 预防措施：

   • 按固定顺序获取锁

   • 使用tryLock设置超时

   • 避免嵌套锁

5.9 对象创建过程

1. 类加载检查：检查类是否已加载

2. 内存分配：

   • 指针碰撞：内存规整时使用

   • 空闲列表：内存不规整时使用

3. 初始化零值：为对象字段赋默认值

4. 设置对象头：存储类元数据、GC年龄等信息

5. 执行<init>方法：按照程序员的意愿初始化对象

5.10 类加载过程

1. 加载(Loading)：

   • 获取类的二进制字节流

   • 将静态存储结构转化为方法区运行时数据结构

   • 生成Class对象作为访问入口

2. 验证(Verification)：确保类文件符合规范

3. 准备(Preparation)：为类变量分配内存并设置初始值

4. 解析(Resolution)：将符号引用转为直接引用

5. 初始化(Initialization)：执行类构造器<clinit>()方法

6. 使用(Using)：程序中使用已加载的类

7. 卸载(Unloading)：从JVM中移除不再需要的类