1、請你簡述一下 Java 內(nèi)存結(jié)構(gòu)（運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)）

如圖所示：

① 程序計(jì)數(shù)器

• 程序計(jì)數(shù)器：線程私有。一塊較小的內(nèi)存空間，程序計(jì)數(shù)器用于保存 JVM 中下一條所要執(zhí)行的字節(jié)碼指令的地址！如果正在執(zhí)行的是 Native 方法，則這個計(jì)數(shù)器值則為空。程序計(jì)數(shù)器在硬件層面是通過 寄存器 實(shí)現(xiàn)的！

Java指令執(zhí)行流程：

• java代碼源文件經(jīng)過編譯為.class 二進(jìn)制字節(jié)碼文件。
• class 文件中的每一條二進(jìn)制字節(jié)碼指令(JVM指令) 通過 解釋器 轉(zhuǎn)換成 機(jī)器碼 然后就可以被 CPU 執(zhí)行了！
• 當(dāng) 解釋器 將一條 jvm 指令轉(zhuǎn)換成 機(jī)器碼 后，同時會向程序計(jì)數(shù)器 遞交下一條 jvm 指令的執(zhí)行地址！

如圖所示：

② 虛擬機(jī)棧

• 虛擬機(jī)棧：線程私有，它的生命周期與線程相同。虛擬機(jī)棧是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型，每個方法在執(zhí)行的同時都會創(chuàng)建一個棧幀用于存儲局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接、方法出口等信息。每一個方法從被調(diào)用直至執(zhí)行完成的過程，就對應(yīng)著一個棧幀在虛擬機(jī)棧中入棧到出棧的過程。
  • 每個棧由多個棧幀(Frame) 組成，對應(yīng)著每個方法運(yùn)行時所占用的內(nèi)存。
  • 個線程只能有一個活動棧幀，對應(yīng)著當(dāng)前正在執(zhí)行的方法，當(dāng)方法執(zhí)行時壓入棧，方法執(zhí)行完畢后彈出棧。
  • 方法體中的引用變量和基本類型的變量都在棧上，其他都在堆上。

實(shí)例代碼：

/**
 * @Auther: csp1999
 * @Date: 2020/11/10/11:36
 * @Description: 演示棧幀
 */
public class Demo01 {
    public static void main(String[] args) {
        methodA();
    }
    private static void methodA() {
        methodB(1, 2);
    }
    private static int methodB(int a, int b) {
        int c = a + b;
        return c;
    }
}

流程分析：

我們打斷點(diǎn)來Debug 一下看一下方法執(zhí)行的流程：

接這往下走，使方法B執(zhí)行完畢：

然后方法A 執(zhí)行完畢，其對應(yīng)的棧幀出棧，main 方法對應(yīng)的棧幀為活動棧幀；最后main執(zhí)行完畢，棧幀出棧，虛擬機(jī)棧為空，代碼運(yùn)行結(jié)束！

③ 本地方法棧

本地方法棧：線程私有。本地方法棧與虛擬機(jī)棧所發(fā)揮的作用是非常相似的，它們之間的區(qū)別不過是虛擬機(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)。

一些帶有native 關(guān)鍵字修飾的方法就是需要JAVA去調(diào)用本地的C或者C++方法，因?yàn)镴AVA有時候沒法直接和操作系統(tǒng)底層交互，所以需要用到本地方法！

④ 堆

堆：線程共享。Java堆是Java虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存中最大的一塊，是被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。Java堆的唯一目的就是存放對象實(shí)例，幾乎所有的對象實(shí)例都在這里分配內(nèi)存。 通過new關(guān)鍵字創(chuàng)建的對象都會被放在堆內(nèi)存。方法體中的引用變量和基本類型的變量都在棧上，其他都在堆上。Java 堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，因此很多時候也被稱做“GC 堆”（Garbage）。-Xmx -Xms：JVM初始分配的堆內(nèi)存由-Xms指定，默認(rèn)是物理內(nèi)存的1/64。

⑤ 方法區(qū)

方法區(qū)：線程共享。方法區(qū)用于存儲已被虛擬機(jī)加載的 *類信息（構(gòu)造方法、接口定義）、常量、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼（字節(jié)碼）*等數(shù)據(jù)。 方法區(qū)在 JVM 啟動的時候被創(chuàng)建，并且它的實(shí)際的物理內(nèi)存空間和 Java堆一樣都可以是不連續(xù)的， 關(guān)閉 Jvm 就會釋放這個區(qū)域的內(nèi)存。方法區(qū)的大小決定了系統(tǒng)可以保存多少個類，如果系統(tǒng)定義了太多的類，導(dǎo)致方法區(qū)溢出，虛擬機(jī)同樣會拋出內(nèi)存溢出錯誤：(java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space、java.lang.OutOfMemoryError:Metaspace)。 注意：方法區(qū)時一種規(guī)范，而永久代和元空間是它的2種實(shí)現(xiàn)方式。

方法區(qū)的演進(jìn)：

1.6 版本方法區(qū)是由 永久代 實(shí)現(xiàn)(使用堆內(nèi)存的一部分作為方法區(qū))，且由JVM 管理。由Class、ClassLoader、常量池(包括StringTable) 組成。

Jdk 1.7 版本仍有永久代，但已經(jīng)逐步 " 去永久代 "，StringTable、靜態(tài)變量從永久代移除，保存在堆中。

1.8 版本后，方法區(qū)交給本地內(nèi)存管理，而脫離了JVM，由元空間實(shí)現(xiàn)(元空間不再使用堆的內(nèi)存，而是使用本地內(nèi)存，即操作系統(tǒng)的內(nèi)存)，由Class、ClassLoader、常量池(StringTable 被移到了堆中管理) 組成。

⑥ 運(yùn)行時常量池

常量池：可以看做是一張表，虛擬機(jī)指令根據(jù)這張常量表找到要執(zhí)行的 類名，方法名，參數(shù)類型、字面量 等信息。

常量池是*.class文件中的，當(dāng)該類被加載以后，它的常量池信息就會放入運(yùn)行時常量池，并把里面的符號地址變?yōu)檎鎸?shí)內(nèi)存地址。

運(yùn)行時常量池：是方法區(qū)的一部分。

String str = new String("hello");

上面的語句中變量 str 放在棧上，用 new 創(chuàng)建出來的字符串對象放在堆上，而hello這個字面量是放在堆中。

2、請問jvm垃圾回收是否涉及棧內(nèi)存？

不需要。因?yàn)樘摂M機(jī)棧中是由一個個棧幀組成的，在方法執(zhí)行完畢后，對應(yīng)的棧幀就會被彈出棧。所以無需通過垃圾回收機(jī)制去回收內(nèi)存。

3、虛擬機(jī)棧內(nèi)存的分配越大越好嗎？

• 不是。因?yàn)槲锢韮?nèi)存是一定的，棧內(nèi)存越大，可以支持更多的遞歸調(diào)用，但是可執(zhí)行的線程數(shù)就會越少。

我們來看一張圖：

舉例：如果物理內(nèi)存是500M(假設(shè))，如果一個線程所能分配的棧內(nèi)存為2M的話，那么可以有250個線程。而如果一個線程分配棧內(nèi)存占5M的話，那么最多只能有100 個線程同時執(zhí)行！

4、從JVM的角度分析，方法內(nèi)的局部變量是否是線程安全的？

我們通過兩張圖去分析一下：

情況一：

情況二：

從圖中得出：局部變量如果是靜態(tài)的可以被多個線程共享，那么就存在線程安全問題。如果是非靜態(tài)的只存在于某個方法作用范圍內(nèi)，被線程私有，那么就是線程安全的！

再來看一個案例：

/**
 * 局部變量的線程安全問題
 */
public class Demo02 {
    public static void main(String[] args) {// main 函數(shù)主線程
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        sb.append(4);
        sb.append(5);
        sb.append(6);
        new Thread(() -> {// Thread新創(chuàng)建的線程
            m2(sb);
        }).start();
    }
    public static void m1() {
        // sb 作為方法m1()內(nèi)部的局部變量，是線程私有的 ---> 線程安全
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        sb.append(1);
        sb.append(2);
        sb.append(3);
        System.out.println(sb.toString());
    }
    public static void m2(StringBuilder sb) {
        // sb 作為方法m2()外部的傳遞來的參數(shù)，sb 不在方法m2()的作用范圍內(nèi)
        // 不是線程私有的 ---> 非線程安全
        sb.append(1);
        sb.append(2);
        sb.append(3);
        System.out.println(sb.toString());
    }
    public static StringBuilder m3() {
        // sb 作為方法m3()內(nèi)部的局部變量，是線程私有的
        StringBuilder sb = new StringBuilder();// sb 為引用類型的變量
        sb.append(1);
        sb.append(2);
        sb.append(3);
        return sb;// 然而方法m3()將sb返回，sb逃離了方法m3()的作用范圍，且sb是引用類型的變量
        // 其他線程也可以拿到該變量的 ---> 非線程安全
        // 如果sb是非引用類型，即基本類型(int/char/float...)變量的話，逃離m3()作用范圍后，則不會存在線程安全
    }
}

所以，該面試題答案是：

如果方法內(nèi)局部變量沒有逃離方法的作用范圍，則是線程安全的。如果局部變量引用了對象，并逃離了方法的作用范圍，則需要考慮線程安全問題。

5、虛擬機(jī)棧內(nèi)存溢出的情況有哪些？

• 1.虛擬機(jī)棧中，棧幀過多（方法無限遞歸）導(dǎo)致棧內(nèi)存溢出，這種情況比較常見！
• 2.每個棧幀所占用內(nèi)存過大(某個/某幾個棧幀內(nèi)存直接超過虛擬機(jī)棧最大內(nèi)存)，這種情況比較少見！

如圖所示，就是棧中棧幀過多的情況：

6、請你說一下JVM運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)方法區(qū)的演進(jìn)？

• 1.6 版本方法區(qū)是由永久代實(shí)現(xiàn)(使用堆內(nèi)存的一部分作為方法區(qū))，且由JVM 管理。由Class、ClassLoader、常量池(包括StringTable) 組成。
• 靜態(tài)變量就存放在永久代(方法區(qū))上。

• Jdk 1.7 版本仍有永久代，但已經(jīng)逐步 " 去永久代 "，StringTable、靜態(tài)變量從永久代移除，保存在堆中。
• 1.8 版本后，方法區(qū)交給本地內(nèi)存管理，而脫離了JVM，由元空間實(shí)現(xiàn)(元空間不再使用堆的內(nèi)存，而是使用本地內(nèi)存，即操作系統(tǒng)的內(nèi)存)，由Class、ClassLoader、常量池(StringTable 被移到了堆中管理) 組成。
• 靜態(tài)變量、StringTable 存放在堆中！

為什么要用元空間取代永久代？

因?yàn)橛谰么幸韵聨讉€弊端：

① 字符串常量池存在于永久代中，在大量使用字符串的情況下，非常容易出現(xiàn)OOM的異常。

② JVM加載的class的總數(shù)，方法的大小等都很難確定，因此對永久代大小的指定難以確定。太小的永久代容易導(dǎo)致永久代內(nèi)存溢出，太大的永久代則容易導(dǎo)致虛擬機(jī)內(nèi)存緊張，空間浪費(fèi)。

③ 永久代進(jìn)行調(diào)優(yōu)很困難：方法區(qū)的垃圾收集主要回收兩部分，常量池中廢棄的常量和不再使用的類。而不再使用的類或類的加載器回收比較復(fù)雜，F(xiàn)ULL GC 的時間長。

7、請問Java虛擬機(jī)中有哪些類加載器？

以 JDK 8 為例：

類加載器的優(yōu)先級（由高到低）：啟動類加載器 -> 擴(kuò)展類加載器 -> 應(yīng)用程序類加載器 -> 自定義類加載器。

• **啟動類加載器（Bootstrap ClassLoader）：**這個類加載器負(fù)責(zé)將存放在 JAVA_HOME/jre/lib 目錄中的，或者被-Xbootclasspath 參數(shù)所指定的路徑中的，并且是虛擬機(jī)識別的（僅按照文件名識別，如rt.jar，名字不符合的類庫即使放在lib目錄中也不會被加載）類庫加載到虛擬機(jī)內(nèi)存中。
• **擴(kuò)展類加載器（Extension ClassLoader）：**這個加載器由 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 實(shí)現(xiàn)，它負(fù)責(zé)加載JAVA_HOME/jre/lib/ext目錄中的，或者被 java.ext.dirs 系統(tǒng)變量所指定的路徑中的所有類庫，開發(fā)者可以直接使用擴(kuò)展類加載器。
• **應(yīng)用程序類加載器（Application ClassLoader）：**這個類加載器由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 實(shí)現(xiàn)。由于這個類加載器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值，所以一般也稱它為系統(tǒng)類加載器。它負(fù)責(zé)加載用戶類路徑（ClassPath）上所指定的類庫，開發(fā)者可以直接使用這個類加載器，如果應(yīng)用程序中沒有自定義過自己的類加載器，一般情況下這個就是程序中默認(rèn)的類加載器。
• **自定義類加載器：**用戶自定義的類加載器。

8、請你說一下類的加載的過程？

類加載的過程包括：加載、驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析、初始化。其中驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析統(tǒng)稱為連接。

• 加載：通過一個類的全限定名來獲取定義此類的二進(jìn)制字節(jié)流，在內(nèi)存中生成一個代表這個類的java.lang.Class對象。
• 驗(yàn)證：確保 Class 文件的字節(jié)流中包含的信息符合當(dāng)前虛擬機(jī)的要求，并且不會危害虛擬機(jī)自身的安全。
• 準(zhǔn)備：為靜態(tài)變量分配內(nèi)存并設(shè)置靜態(tài)變量初始值，這里所說的初始值“通常情況”下是數(shù)據(jù)類型的零值。
• 解析：將常量池內(nèi)的符號引用替換為直接引用。
• 初始化：到了初始化階段，才真正開始執(zhí)行類中定義的 Java 初始化程序代碼。主要是靜態(tài)變量賦值動作和靜態(tài)語句塊（static{}）中的語句。

9、請你說一下什么是雙親委派模型？

如圖所示：

什么是雙親委派模型？

如果一個類加載器收到了類加載的請求，它首先不會自己去嘗試加載這個類，而是把這個請求委派給父類加載器去完成，每一個層次的類加載器都是如此，因此所有的加載請求最終都應(yīng)該傳送到頂層的啟動類加載器中，只有當(dāng)父加載器反饋?zhàn)约簾o法完成這個加載請求（它的搜索范圍中沒有找到所需的類）時，子加載器才會嘗試自己去加載。

為什么要使用雙親委派模型呢？（好處）

避免重復(fù)加載 + 避免核心類篡改

• 采用雙親委派模式的是好處是Java類隨著它的類加載器一起具備了一種帶有優(yōu)先級的層次關(guān)系，通過這種層級關(guān)可以避免類的重復(fù)加載，當(dāng)父加載器已經(jīng)加載了該類時，就沒有必要子加載器再加載一次。
• 其次是考慮到安全因素，java 核心 api 中定義類型不會被隨意替換，假設(shè)通過網(wǎng)絡(luò)傳遞一個名為 java.lang.Integer 的類，通過雙親委托模式傳遞到啟動類加載器，而啟動類加載器在核心Java API發(fā)現(xiàn)這個名字的類，發(fā)現(xiàn)該類已被加載，并不會重新加載網(wǎng)絡(luò)傳遞的過來的 java.lang.Integer，而直接返回已加載過的 Integer.class，這樣便可以防止核心API庫被隨意篡改。

10、說一下虛擬機(jī)棧和堆的區(qū)別？

① 物理地址方面的區(qū)別：

• 堆 的物理地址分配對對象是不連續(xù)的。因此性能慢些。
• 虛擬機(jī)棧 使用的是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的棧，先進(jìn)后出的原則，物理地址分配是連續(xù)的。所以性能快。

② 內(nèi)存分配方面的區(qū)別：

• 堆 因?yàn)槭遣贿B續(xù)的，所以分配的內(nèi)存是在運(yùn)行期確認(rèn)的，因此大小不固定。一般堆大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于虛擬機(jī)棧。
• 虛擬機(jī)棧 是連續(xù)的，所以分配的內(nèi)存大小要在編譯期就確認(rèn)，大小是固定的。

③ 存放的內(nèi)容方面的區(qū)別：

• 堆 存放的是對象的實(shí)例和數(shù)組。因此該區(qū)更關(guān)注的是數(shù)據(jù)的存儲。
• 虛擬機(jī)棧 存放的是局部變量，操作數(shù)棧，返回結(jié)果。該區(qū)更關(guān)注的是程序方法的執(zhí)行。

注：靜態(tài)變量放在方法區(qū)，而靜態(tài)的對象還是放在堆。

④ 線程共享方面的區(qū)別：

• 堆 對于整個應(yīng)用程序都是共享、可見的。
• 虛擬機(jī)棧 只對于線程是可見的。所以也是線程私有。他的生命周期和線程相同。

總結(jié)

文章會不定時更新，有時候一天多更新幾篇，如果幫助您復(fù)習(xí)鞏固了知識點(diǎn)，后續(xù)會億點(diǎn)點(diǎn)的更新！也希望大家關(guān)注腳本之家其他文章！

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