【JVM连载一】内存模式的7个常见面试题与回答详解
常见面试题
问题剖析：当面试官提出这个问题时，就是想考察你对JVM核心基础的理解。这个问题看似容易回答，但是准备不足则难以给出较为满意的答案。可能很多同学的答案回答仅仅是流水账式的列出相关知识点，而没有系统性地组织语言将各个知识点串起来。下面先给出回答这个问题相关的知识点，然后给出一个回答该问题的示例模板。
上图展示了JVM中内存模型，不难看出线程内驱动程序运行的程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈都要占用内存；而堆和方法区则是独立于线程占用内存。从内存区域是否共享这个维度作为划分手段，线程内部占用的内存区域为私有，不同线程之间不可互相访问；而堆、方法区和直接内存则是公共且可以互相访问。
面试问题二：请谈谈你对JVM堆的理解
问题剖析：当面试官提出这个问题时，就是想考察你对JVM中核心部分堆的理解，因为堆上经常发生GC，在线上中出现FullGC是很常见的事情，因此不仅要会Dump堆的实际使用情况，还要堆的内存结构有较深的理解。除此之外，随着Java版本的发展，堆内存的结构也出现了不小的变化，因此回答不应仅仅局限于老版本的堆内存结构，还要与时俱进地分析版本之间的差异性。
在JDK7及其更老的版本中，堆通常被分为新生代、老生代以及永生代。JDK8之后方法区（HotSpot 的永久代）被彻底移除了（JDK1.7就已经开始了），取而代之是元空间，元空间使用的是直接内存。
面试问题三： JVM堆内存大小一般如何分配
问题阐述：当面试官提出这个问题时，就是想考察你是否对堆有很深的理解。堆总体大小以及各个区域大小的分配在很大程度上会关联到GC效率。
面试问题四： 请谈谈方法区和永生代的区别
问题阐述：当面试官提出这个问题时，就是想考察你对方法区的认识，因为很多人认为方法区和永生代同一个东西，但是二者在狭义上还是有一些区别，不能简单地混为一谈。
进阶知识点与思考
进阶知识一：区分JVM内存模型和Java内存模型
进阶知识二：区分JVM程序计数器在执行指令上与OS层面的区别
无论是操作系统层面还是JVM层面，机器在执行时都会将代码转化成指令(也可以理解为机器码)，这种指令一般不容易理解，但是执行效率极高。在OS中的指令一般带有操作数，而JVM的指令不带有操作数，下面以加法为例简要展示二者的差异(OS指令仅参考一种指令设计模式，且操作码和操作数地址均为举例)。
执行一条加法操作时，对应的命令无论是JVM还是OS至少需要以下内容：
- 操作码
- 操作数1
- 操作数2
进阶知识三：逃逸分析
逃逸分析是一项JVM优化技术，用于虚拟机分析对象的作用域。在面试中与这个知识点关联度最大的问题就是”所有对象都在堆空间上分配内存么？“。首先给出这个问题的答案，是否定的，并非所有对象都在堆空间分配内存。下面首先介绍一下逃逸分析，然后从理论上详细解答这个问题，最后给出逃逸分析中的其他几项技术。
Java运行需要经过两个必要的阶段，首先基于javac命令将.java文件编译为.class；然后JVM将字节码转化为机器可执行的指令，转化时逐条读入逐条翻译。这种转化过程一般执行效率较差，为了优化这个问题提出了即时编译技术(JIT)。引入JIT后，JVM具有一定智能性，当JVM发现某一段方法或代码块执行的非常频繁时，就会认为出现了热点代码。为了避免频繁将这段代码转化为机器指令，JIT会将这部分热点代码翻译后放到缓存里以供调用。JIT在判定逃逸时也有较大作用。逃逸是指在方法A内被创建的对象不仅在本方法内被引用，对于其他方法而言也能获得其引用。如果对象发生了逃逸，会产生如下影响：
- 方法A创建的对象在方法结束时依旧存在引用，因此改对象无法被GC回收
- 方法A尚未结束时，方法B修改了共同引用的对象，导致一致性问题
// 对全局/静态变量赋值导致的逃逸
publicstaticObject obj;
publicvoidsetObj() {
obj = newObject();
} // 返回引用导致方法逃逸
publicstaticStringBuilder getString() {
StringBuilder stringBuilder = newStringBuilder();
stringBuilder.append("hello");
stringBuilder.append("world");
returnstringBuilder;
} 逃逸分析的具体实现基于连通图构造对象间的引用可达性关系，并基于一套数据流分析方法实现。感兴趣的同学可以进一步学习<>
回到”所有对象都在堆空间上分配内存么？“这个问题，逃逸分析基于JIT技术使用栈上分配避免一些对象在堆空间分配内存。我们都知道在堆空间上GC有一定时间开销，如果一个对象的作用域不会逃逸出方法调用，那么久没必要在堆上分配空间并产生潜在的GC时间。而在实际的项目开发中，大部分局部对象不会逃逸出方法调用，因此栈上分配存在的意义极大。然而栈上分配技术只能支持到方法维度，在线程维度上它无能为力。下面我们通过实践来对逃逸分析进行测试。首先在执行代码前先给出开启逃逸分析的方法(JDK8中默认开启)：
- -XX:+DoEscapeAnalysis ：表示开启逃逸分析
- -XX:-DoEscapeAnalysis ：表示关闭逃逸分析
- -XX:+PrintEliminateAllocations ：显示标量替换详情
publicclassStackDispatch {
privatestaticfinalintnum = 1000000;
publicstaticvoidmain(String[] args) {
for(inti = 0; i < num; i++) {
alloc();
}
System.out.println("Please check status in command");
// 避免程序提前结束
try{
Thread.sleep(num);
} catch(InterruptedException e1) {
e1.printStackTrace();
}
}
privatestaticvoidasignTeacher() {
Teacher teacher = newTeacher();
}
}
classTeacher {
privateintage;
privateString name;
privateString sex;
privateString slogan;
Teacher() {
age = 0;
name = "";
sex = "";
slogan = "";
}
} # 查看所有现存的Java程序id号 jps # 查询堆空间上所有对象实例的数量 jmap -histo id号
不出意外StackDispatch将会有100w个实例，也就是说关闭逃逸分析时，虽然teacher没有逃逸出asignTeacher()方法，但是被全量存储到堆空间。更改启动参数为：-Xmx4G -Xms4G -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGCDetails -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError，再次执行上述操作。结果显示基于栈上分配后，堆中只有112842个对象，数量为100w的11%，效果显著。感兴趣的读者还可以通过调整堆空间大小结合GC过程进行观测，这里不做多余赘述。
逃逸分析还有其他几种技术：
- 同步清除技术
- 标量替换技术
// 正常代码，程序员可见
publicvoidvisit() {
Object obj = newObject();
synchronized(obj) {
System.out.println("this is visit");
}
}
// 优化后代码，程序员不可见
publicvoidvisit() {
Object obj = newObject();
System.out.println("this is visit");
} // 正常代码，程序员可见
publicclassStackDispatch {
privatestaticfinalintnum = 1000000;
publicstaticvoidmain(String[] args) {
asignTeacher();
}
privatestaticvoidasignTeacher() {
Teacher teacher = newTeacher();
System.out.println("age = "+teacher.getAge());
}
}
classTeacher {
privateintage;
privateString name;
privateString sex;
privateString slogan;
Teacher() {
age = 0;
name = "";
sex = "";
slogan = "";
}
// 省略getter和setter
} // 优化后代码，程序员不可见
publicclassStackDispatch {
privatestaticfinalintnum = 1000000;
publicstaticvoidmain(String[] args) {
asignTeacher();
}
privatestaticvoidasignTeacher() {
intage;
String name;
String sex;
String slogan;
System.out.println("age = "+ age);
}
} 不难发现，teacher的作用域没有逃逸出asignTeacher()方法，因此标量替换技术将Teacher类中的字段转移到方法的栈上，而不是在堆中分配。因为不需要创建对象，因此避免了堆内存空间的使用。标量替换可以视作栈上分配的一种特例，实现更简单但对逃逸程度的要求更高，它不允许对象逃逸出方法范围内。
逃逸分析技术一定程度上提高了内存使用率，但是这种技术并非是上帝恩赐，它依旧存在一些问题：
- 执行分析的过程本身就很复杂，具有较大的计算成本，分析带来的收益如果无法弥补其开销，那将丧失分析的意义
- 对于对象是否逃逸的结果判定，目前无法实现100%的准确率
- 如果分析结果表明，几乎所有对象都没有逃逸，那么在运行时所作的分析等同于无用功
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