在任何Java面試當(dāng)中JVM的問題都是必不可少的一部分

（一）JVM 基礎(chǔ)知識

（1）Java 是如何實現(xiàn)跨平臺的？

注意：跨平臺的是 Java 程序，而不是 JVM。JVM 是用 C/C 開發(fā)的，是編譯后的機(jī)器碼，不能跨平臺，不同平臺下需要安裝不同版本的 JVM

答：我們編寫的 Java 源碼，編譯后會生成一種 .class 文件，稱為字節(jié)碼文件。Java 虛擬機(jī)（JVM）就是負(fù)責(zé)將字節(jié)碼文件翻譯成特定平臺下的機(jī)器碼然后運行，也就是說，只要在不同平臺上安裝對應(yīng)的 JVM，就可以運行字節(jié)碼文件，運行我們編寫的 Java 程序。

而這個過程，我們編寫的 Java 程序沒有做任何改變，僅僅是通過 JVM 這一 “中間層” ，就能在不同平臺上運行，真正實現(xiàn)了 “一次編譯，到處運行” 的目的。

（2）什么是 JVM ？

解析：不僅僅是基本概念，還有 JVM 的作用。

答：JVM，即 Java Virtual Machine，Java 虛擬機(jī)。它通過模擬一個計算機(jī)來達(dá)到一個計算機(jī)所具有的的計算功能。JVM 能夠跨計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)來執(zhí)行 Java 字節(jié)碼，主要是由于 JVM 屏蔽了與各個計算機(jī)平臺相關(guān)的軟件或者硬件之間的差異，使得與平臺相關(guān)的耦合統(tǒng)一由 JVM 提供者來實現(xiàn)。

（3）JVM 由哪些部分組成？

解析：這是對 JVM 體系結(jié)構(gòu)的考察

答：JVM 的結(jié)構(gòu)基本上由 4 部分組成：

• 類加載器，在 JVM 啟動時或者類運行時將需要的 class 加載到 JVM 中
• 執(zhí)行引擎，執(zhí)行引擎的任務(wù)是負(fù)責(zé)執(zhí)行 class 文件中包含的字節(jié)碼指令，相當(dāng)于實際機(jī)器上的 CPU
• 內(nèi)存區(qū)，將內(nèi)存劃分成若干個區(qū)以模擬實際機(jī)器上的存儲、記錄和調(diào)度功能模塊，如實際機(jī)器上的各種功能的寄存器或者 PC 指針的記錄器等
• 本地方法調(diào)用，調(diào)用 C 或 C 實現(xiàn)的本地方法的代碼返回結(jié)果

（4）類加載器是有了解嗎？

解析：底層原理的考察，其中涉及到類加載器的概念，功能以及一些底層的實現(xiàn)。

答：顧名思義，類加載器（class loader）用來加載 Java 類到 Java 虛擬機(jī)中。一般來說，Java 虛擬機(jī)使用 Java 類的方式如下：Java 源程序（.java 文件）在經(jīng)過 Java 編譯器編譯之后就被轉(zhuǎn)換成 Java 字節(jié)代碼（.class 文件）。

類加載器負(fù)責(zé)讀取 Java 字節(jié)代碼，并轉(zhuǎn)換成 java.lang.Class類的一個實例。每個這樣的實例用來表示一個 Java 類。通過此實例的 newInstance()方法就可以創(chuàng)建出該類的一個對象。實際的情況可能更加復(fù)雜，比如 Java 字節(jié)代碼可能是通過工具動態(tài)生成的，也可能是通過網(wǎng)絡(luò)下載的。

面試官：Java 虛擬機(jī)是如何判定兩個 Java 類是相同的？

答：Java 虛擬機(jī)不僅要看類的全名是否相同，還要看加載此類的類加載器是否一樣。只有兩者都相同的情況，才認(rèn)為兩個類是相同的。即便是同樣的字節(jié)代碼，被不同的類加載器加載之后所得到的類，也是不同的。比如一個 Java 類 com.example.Sample，編譯之后生成了字節(jié)代碼文件 Sample.class。兩個不同的類加載器 ClassLoaderA和 ClassLoaderB分別讀取了這個 Sample.class文件，并定義出兩個 java.lang.Class類的實例來表示這個類。這兩個實例是不相同的。對于 Java 虛擬機(jī)來說，它們是不同的類。試圖對這兩個類的對象進(jìn)行相互賦值，會拋出運行時異常 ClassCastException。

（5）類加載器是如何加載 class 文件的？

答：下圖所示是 ClassLoader 加載一個 class 文件到 JVM 時需要經(jīng)過的步驟：

第一個階段是找到 .class 文件并把這個文件包含的字節(jié)碼加載到內(nèi)存中

第二階段又可以分為三個步驟，分別是字節(jié)碼驗證、Class 類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析及相應(yīng)的內(nèi)存分配和最后的符號表的鏈接

第三個階段是類中靜態(tài)屬性和初始化賦值，以及靜態(tài)塊的執(zhí)行等

面試官：能詳細(xì)講講嗎？

答：

1.加載

查找并加載類的二進(jìn)制數(shù)據(jù)加載時類加載過程的第一個階段，在加載階段，虛擬機(jī)需要完成以下三件事情：

• 通過一個類的全限定名來獲取其定義的二進(jìn)制字節(jié)流。
• 將這個字節(jié)流所代表的靜態(tài)存儲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為方法區(qū)的運行時數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
• 在Java堆中生成一個代表這個類的 java.lang.Class 對象，作為對方法區(qū)中這些數(shù)據(jù)的訪問入口。

相對于類加載的其他階段而言，加載階段（準(zhǔn)確地說，是加載階段獲取類的二進(jìn)制字節(jié)流的動作）是可控性最強(qiáng)的階段，因為開發(fā)人員既可以使用系統(tǒng)提供的類加載器來完成加載，也可以自定義自己的類加載器來完成加載。

加載階段完成后，虛擬機(jī)外部的二進(jìn)制字節(jié)流就按照虛擬機(jī)所需的格式存儲在方法區(qū)之中，而且在Java堆中也創(chuàng)建一個 java.lang.Class類的對象，這樣便可以通過該對象訪問方法區(qū)中的這些數(shù)據(jù)。

2.連接

驗證：確保被加載的類的正確性

驗證是連接階段的第一步，這一階段的目的是為了確保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。驗證階段大致會完成4個階段的檢驗動作：

• 文件格式驗證：驗證字節(jié)流是否符合Class文件格式的規(guī)范；例如：是否以 0xCAFEBABE開頭、主次版本號是否在當(dāng)前虛擬機(jī)的處理范圍之內(nèi)、常量池中的常量是否有不被支持的類型。
• 元數(shù)據(jù)驗證：對字節(jié)碼描述的信息進(jìn)行語義分析（注意：對比javac編譯階段的語義分析），以保證其描述的信息符合Java語言規(guī)范的要求；例如：這個類是否有父類，除了 java.lang.Object之外。
• 字節(jié)碼驗證：通過數(shù)據(jù)流和控制流分析，確定程序語義是合法的、符合邏輯的。
• 符號引用驗證：確保解析動作能正確執(zhí)行。

驗證階段是非常重要的，但不是必須的，它對程序運行期沒有影響，如果所引用的類經(jīng)過反復(fù)驗證，那么可以考慮采用 -Xverifynone 參數(shù)來關(guān)閉大部分的類驗證措施，以縮短虛擬機(jī)類加載的時間。

準(zhǔn)備：為類的靜態(tài)變量分配內(nèi)存，并將其初始化為默認(rèn)值

準(zhǔn)備階段是正式為類變量分配內(nèi)存并設(shè)置類變量初始值的階段，這些內(nèi)存都將在方法區(qū)中分配。對于該階段有以下幾點需要注意：

• ① 這時候進(jìn)行內(nèi)存分配的僅包括類變量（static），而不包括實例變量，實例變量會在對象實例化時隨著對象一塊分配在Java堆中。
• ② 這里所設(shè)置的初始值通常情況下是數(shù)據(jù)類型默認(rèn)的零值（如0、0L、null、false等），而不是被在Java代碼中被顯式地賦予的值。

假設(shè)一個類變量的定義為： public static int value = 3;

那么變量value在準(zhǔn)備階段過后的初始值為 0，而不是 3，因為這時候尚未開始執(zhí)行任何 Java 方法，而把 value 賦值為 3 的public static指令是在程序編譯后，存放于類構(gòu)造器 <clinit>（）方法之中的，所以把value賦值為3的動作將在初始化階段才會執(zhí)行。

這里還需要注意如下幾點：

• 對基本數(shù)據(jù)類型來說，對于類變量（static）和全局變量，如果不顯式地對其賦值而直接使用，則系統(tǒng)會為其賦予默認(rèn)的零值，而對于局部變量來說，在使用前必須顯式地為其賦值，否則編譯時不通過。
• 對于同時被static和final修飾的常量，必須在聲明的時候就為其顯式地賦值，否則編譯時不通過；而只被final修飾的常量則既可以在聲明時顯式地為其賦值，也可以在類初始化時顯式地為其賦值，總之，在使用前必須為其顯式地賦值，系統(tǒng)不會為其賦予默認(rèn)零值。
• 對于引用數(shù)據(jù)類型reference來說，如數(shù)組引用、對象引用等，如果沒有對其進(jìn)行顯式地賦值而直接使用，系統(tǒng)都會為其賦予默認(rèn)的零值，即null。
• 如果在數(shù)組初始化時沒有對數(shù)組中的各元素賦值，那么其中的元素將根據(jù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)類型而被賦予默認(rèn)的零值。
• ③ 如果類字段的字段屬性表中存在 ConstantValue 屬性，即同時被 final 和 static 修飾，那么在準(zhǔn)備階段變量 value 就會被初始化為 ConstValue 屬性所指定的值。

假設(shè)上面的類變量 value 被定義為： public static final int value = 3;

編譯時 Javac 將會為 value 生成 ConstantValue 屬性，在準(zhǔn)備階段虛擬機(jī)就會根據(jù) ConstantValue 的設(shè)置將 value 賦值為 3。我們可以理解為 static final 常量在編譯期就將其結(jié)果放入了調(diào)用它的類的常量池中

解析：把類中的符號引用轉(zhuǎn)換為直接引用

解析階段是虛擬機(jī)將常量池內(nèi)的符號引用替換為直接引用的過程，解析動作主要針對類或接口、字段、類方法、接口方法、方法類型、方法句柄和調(diào)用點限定符7類符號引用進(jìn)行。符號引用就是一組符號來描述目標(biāo)，可以是任何字面量。

直接引用就是直接指向目標(biāo)的指針、相對偏移量或一個間接定位到目標(biāo)的句柄。

3.初始化

初始化，為類的靜態(tài)變量賦予正確的初始值，JVM負(fù)責(zé)對類進(jìn)行初始化，主要對類變量進(jìn)行初始化。在Java中對類變量進(jìn)行初始值設(shè)定有兩種方式：

• ① 聲明類變量是指定初始值
• ② 使用靜態(tài)代碼塊為類變量指定初始值

JVM初始化步驟

• 1、假如這個類還沒有被加載和連接，則程序先加載并連接該類
• 2、假如該類的直接父類還沒有被初始化，則先初始化其直接父類
• 3、假如類中有初始化語句，則系統(tǒng)依次執(zhí)行這些初始化語句

類初始化時機(jī)：只有當(dāng)對類的主動使用的時候才會導(dǎo)致類的初始化，類的主動使用包括以下六種：

• 創(chuàng)建類的實例，也就是new的方式
• 訪問某個類或接口的靜態(tài)變量，或者對該靜態(tài)變量賦值
• 調(diào)用類的靜態(tài)方法
• 反射（如 Class.forName(“com.shengsiyuan.Test”)）
• 初始化某個類的子類，則其父類也會被初始化
• Java虛擬機(jī)啟動時被標(biāo)明為啟動類的類（ JavaTest），直接使用 java.exe命令來運行某個主類

結(jié)束生命周期

在如下幾種情況下，Java虛擬機(jī)將結(jié)束生命周期

• 執(zhí)行了 System.exit()方法
• 程序正常執(zhí)行結(jié)束
• 程序在執(zhí)行過程中遇到了異?；蝈e誤而異常終止
• 由于操作系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤而導(dǎo)致Java虛擬機(jī)進(jìn)程終止

（6）雙親委派模型（Parent Delegation Model）？

解析：類的加載過程采用雙親委派機(jī)制，這種機(jī)制能更好的保證 Java 平臺的安全性

答：類加載器 ClassLoader 是具有層次結(jié)構(gòu)的，也就是父子關(guān)系，其中，Bootstrap 是所有類加載器的父親，如下圖所示：

該模型要求除了頂層的 Bootstrap class loader 啟動類加載器外，其余的類加載器都應(yīng)當(dāng)有自己的父類加載器。子類加載器和父類加載器不是以繼承（Inheritance）的關(guān)系來實現(xiàn)，而是通過組合（Composition）關(guān)系來復(fù)用父加載器的代碼。每個類加載器都有自己的命名空間（由該加載器及所有父類加載器所加載的類組成，在同一個命名空間中，不會出現(xiàn)類的完整名字（包括類的包名）相同的兩個類；在不同的命名空間中，有可能會出現(xiàn)類的完整名字（包括類的包名）相同的兩個類）

面試官：雙親委派模型的工作過程？

答：

1.當(dāng)前 ClassLoader 首先從自己已經(jīng)加載的類中查詢是否此類已經(jīng)加載，如果已經(jīng)加載則直接返回原來已經(jīng)加載的類。

每個類加載器都有自己的加載緩存，當(dāng)一個類被加載了以后就會放入緩存，

等下次加載的時候就可以直接返回了。

2.當(dāng)前 ClassLoader 的緩存中沒有找到被加載的類的時候，委托父類加載器去加載，父類加載器采用同樣的策略，首先查看自己的緩存，然后委托父類的父類去加載，一直到 bootstrap ClassLoader.

當(dāng)所有的父類加載器都沒有加載的時候，再由當(dāng)前的類加載器加載，并將其放入它自己的緩存中，以便下次有加載請求的時候直接返回。

面試官：為什么這樣設(shè)計呢？

解析：這是對于使用這種模型來組織累加器的好處

答：主要是為了安全性，避免用戶自己編寫的類動態(tài)替換 Java 的一些核心類，比如 String，同時也避免了重復(fù)加載，因為 JVM 中區(qū)分不同類，不僅僅是根據(jù)類名，相同的 class 文件被不同的 ClassLoader 加載就是不同的兩個類，如果相互轉(zhuǎn)型的話會拋java.lang.ClassCaseException.

（二）JVM 內(nèi)存管理

（1）JVM 內(nèi)存劃分：

答：

1. 方法區(qū)（線程共享）：各個線程共享的一個區(qū)域，用于存儲虛擬機(jī)加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。雖然 Java 虛擬機(jī)規(guī)范把方法區(qū)描述為堆的一個邏輯部分，但是它卻又一個別名叫做 Non-Heap（非堆），目的應(yīng)該是與 Java 堆區(qū)分開來。
2. 運行時常量池：是方法區(qū)的一部分，用于存放編譯器生成的各種字面量和符號引用。
3. 堆內(nèi)存（線程共享）：所有線程共享的一塊區(qū)域，垃圾收集器管理的主要區(qū)域。目前主要的垃圾回收算法都是分代收集算法，所以 Java 堆中還可以細(xì)分為：新生代和老年代；再細(xì)致一點的有 Eden 空間、From Survivor 空間、To Survivor 空間等，默認(rèn)情況下新生代按照8:1:1的比例來分配。根據(jù) Java 虛擬機(jī)規(guī)范的規(guī)定，Java 堆可以處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間中，只要邏輯上是連續(xù)的即可，就像我們的磁盤一樣。
4. 程序計數(shù)器： Java 線程私有，類似于操作系統(tǒng)里的 PC 計數(shù)器，它可以看做是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器。如果線程正在執(zhí)行的是一個 Java 方法，這個計數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的地址；如果正在執(zhí)行的是 Native 方法，這個計數(shù)器值則為空（Undefined）。此內(nèi)存區(qū)域是唯一一個在 Java 虛擬機(jī)規(guī)范中沒有規(guī)定任何 OutOfMemoryError 情況的區(qū)域。
5. 虛擬機(jī)棧（棧內(nèi)存）：Java線程私有，虛擬機(jī)展描述的是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個方法在執(zhí)行的時候，都會創(chuàng)建一個棧幀用于存儲局部變量、操作數(shù)、動態(tài)鏈接、方法出口等信息；每個方法調(diào)用都意味著一個棧幀在虛擬機(jī)棧中入棧到出棧的過程；
6. 本地方法棧 ：和Java虛擬機(jī)棧的作用類似，區(qū)別是該區(qū)域為 JVM 提供使用 native 方法的服務(wù)

（2）Java 的內(nèi)存模型：

答：

Java 虛擬機(jī)規(guī)范中試圖定義一種 Java 內(nèi)存模型（Java Memory Model, JMM）來屏蔽掉各層硬件和操作系統(tǒng)的內(nèi)存訪問差異，以實現(xiàn)讓 Java 程序在各種平臺下都能達(dá)到一致的內(nèi)存訪問效果。

Java 內(nèi)存模型規(guī)定了所有的變量都存儲在主內(nèi)存（Main Memory）中。每條線程還有自己的工作內(nèi)存（Working Memory），線程的工作內(nèi)存中保存了被該線程使用到的變量的主內(nèi)存副本拷貝，線程對變量的所有操作（讀取、賦值等）都必須在主內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接讀寫主內(nèi)存中的變量。不同的線程之間也無法直接訪問對方工作內(nèi)存中的變量，線程間的變量值的傳遞均需要通過主內(nèi)存來完成，線程、主內(nèi)存、工作內(nèi)存三者的關(guān)系如上圖。

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