java基础知识三

1.Java程序运行机制详细说明

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。

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。

2.JVM运行时数据区

1、堆

JVM中最大的一块，主要用来存放对象实例和数组，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。线程共享，内部会划分出多个线程私有的分配缓冲区(TLAB)。可以位于物理上不连续的空间，但是逻辑上要连续。

2、虚拟机栈

每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧(Stack Frame）用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被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从入栈到出栈的过程。线程私有，生命周期和线程一致。

3、方法区（非堆）

属于共享内存区域，存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

4、本地方法栈

本地方法栈（Native MethodStacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java 方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native 方法服务。

5、程序计数器

程序计数器（Program CounterRegister）是一块较小的内存空间，它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。此内存区域是唯一一个在Java 虚拟机规范中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域

3.说说堆和栈的区别

1）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-整理，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。

2）内存分配

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。

3）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。栈区更关注的是程序方法的执行。

4）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。

4.引用类型

对象引用类型分：强引用、软引用、弱引用和虚引用。

强引用：不会被回收。就是我们一般声明对象是时虚拟机生成的引用，强引用环境下，垃圾回收时需要严格判断当前对象是否被强引用，如果被强引用，则不会被垃圾回收。

软引用：内存充足，则不回收；不足则回收。软引用一般被做为缓存来使用。与强引用的区别是，软引用在垃圾回收时，虚拟机会根据当前系统的剩余内存来决定是否对软引用进行回收。如果剩余内存比较紧张，则虚拟机会回收软引用所引用的空间；如果剩余内存相对富裕，则不会进行回收。换句话说，虚拟机在发生OutOfMemory时，肯定是没有软引用存在的。

弱引用：会被回收。弱引用与软引用类似，都是作为缓存来使用。但与软引用不同，弱引用在进行垃圾回收时，是一定会被回收掉的，因此其生命周期只存在于一个垃圾回收周期内。

主流的有三种垃圾回收算法：复制算法，标记-清除算法、标记-整理算法

5.JVM有多种垃圾回收算法，其中目前在用最经典的就是分代收集算法。

永久代（Perm）：主要保存class，method，field等对象，该空间大小，取决于系统启动加载类的数量，一般该区域内存溢出均是启动时溢出。java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space

老年代（Old）：一般是经过多次垃圾回收（GC）没有被回收掉的对象。

伊甸园（Eden）：新创建的对象。

幸存区0（Survivor0）：经过垃圾回收（GC）后，没有被回收掉的对象。

幸存区1（Survivor1）：同Survivor0相同，大小空间也相同，同一时刻Survivor0和Survivor1只有一个在用，一个为空。

6.标记-清除算法

首先标记出所有需要回收的对象，标记完成后统一回收所有被标记的对象。缺点：标记和清除两个过程效率都不高；标记清除后会产生空间碎片，空间碎片导致分配较大对象时可能提前触发垃圾回收。

7.复制算法

将可用内存分为两个区域，每次只使用其中一块，当使用的那一块内存用完时，将还存活的对象复制到另外一块内存中，然后把已使用过的内存空间一次清理掉。优点：解决的空间碎片问题，实现简单。缺点：需要两倍空间，将内存缩小为两块，内存使用率不高。复制操作频繁效率变低。

8.标记-整理算法

此算法结合了“标记-清除”和“复制”两个算法的优点。也是分两阶段，第一阶段从根节点开始标记所有被引用对象，第二阶段遍历整个堆，把清除未标记对象并且把存活对象“压缩”到堆的其中一块，按顺序排放。此算法避免了“标记-清除”的碎片问题，同时也避免了“复制”算法的空间问题。

9.垃圾收集器CMS G1

垃圾回收策略可以看作是内存回收的抽象策略，而垃圾收集器是内存回收的具体实现

垃圾收集器有很多种，常见的有：串行收集器、并行收集器、并发收集器、CMS收集器以及最新的G1收集器。重点为CMS收集器和G1收集器

10.CMS收集器

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器

基于 标记清除 算法实现。第一次实现了让垃圾收集线程与用户线程（基本上）同时工作。

特点：

针对老年代

基于"标记-清除"算法(不进行压缩操作，会产生内存碎片)

以获取最短回收停顿时间为目标

并发收集、低停顿

需要更多的内存

运作步骤：

初始标记： 暂停所有的其他线程，标记GC Roots能直接关联到的对象，速度很快；

并发标记：进行GC Roots Tracing的过程；

重新标记： 修正并发标记期间的变动部分，需要"Stop The World"，且停顿时间比初始标记稍长，但远比并发标记短；

并发清除： 开启用户线程，同时GC线程开始对为标记的区域做清扫，回收所有的垃圾对象。

缺点：

对 CPU 资源敏感；

无法收集浮动垃圾；

标记清除 算法带来的空间碎片。

11.G1收集器

G1 (Garbage-First)是一款面向服务器的垃圾收集器,主要针对配备多颗处理器及大容量内存的机器。以极高概率满足GC停顿时间要求的同时，还具备高吞吐量性能特征。

G1是将整个堆空间分成许多个大小不等的独立区域（Region），大约有2000块，每个Region从1M到32M大小不等，在JVM启动的时候就已经分割好了，Region可采用并行的垃圾回收或 NOT STW 方式。

运作步骤：

初始标记(Initial Marking)

并发标记(Concurrent Marking)

最终标记(Final Marking)

筛选回收(Live Data Counting and Evacuation)

特点：

1、并行与并发

G1能充分利用CPU、多核环境下的硬件优势，使用多个CPU（CPU或者CPU核心）来缩短stop-The-World停顿时间。部分其他收集器原本需要停顿Java线程执行的GC动作，G1收集器仍然可以通过并发的方式让java程序继续执行。

2、分代收集

虽然G1可以不需要其他收集器配合就能独立管理整个GC堆，但是还是保留了分代的概念。

能独立管理整个GC堆（新生代和老年代），而不需要与其他收集器搭配；

能够采用不同方式处理不同时期的对象；

虽然保留分代概念，但Java堆的内存布局有很大差别；

将整个堆划分为多个大小相等的独立区域（Region）；

新生代和老年代不再是物理隔离，它们都是一部分Region（不需要连续）的集合。

3、空间整合

与CMS的“标记–清理”算法不同，G1从整体来看是基于“标记整理”算法实现的收集器；从局部上来看是基于“复制”算法实现的。是一种类似火车算法的实现，不会产生内存碎片，有利于长时间运行。

4、可预测停顿

这是G1相对于CMS的另一个大优势，降低停顿时间是G1和CMS共同的关注点，但G1除了追求低停顿外，还能建立可预测的停顿时间模型。可以明确指定M毫秒时间片内，垃圾收集消耗的时间不超过N毫秒。在低停顿的同时实现高吞吐量。

为什么G1可以实现可预测停顿？

可以有计划地避免在Java堆的进行全区域的垃圾收集；

G1收集器将内存分大小相等的独立区域（Region），新生代和老年代概念保留，但是已经不再物理隔离。

G1跟踪各个Region获得其收集价值大小，在后台维护一个优先列表；

每次根据允许的收集时间，优先回收价值最大的Region（名称Garbage-First的由来）；

12.类加载器，加载类的流程

类加载器实现的功能是：为加载阶段获取二进制字节流

1、加载

加载主要是将.class文件（并不一定是.class。可以是ZIP包，网络中获取）中的二进制字节流读入到JVM中。

在加载阶段，JVM需要完成3件事：

通过类的全限定名获取该类的二进制字节流；

将字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构；

在内存中生成一个该类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口。

2、连接

2.1 验证

验证阶段，确保加载进来的字节流符合JVM规范。将完成以下4个阶段的检验动作：

文件格式验证

元数据验证(是否符合Java语言规范)

字节码验证（确定程序语义合法，符合逻辑）

符号引用验证（确保下一步的解析能正常执行）

2.2 准备

准备阶段，为静态变量在方法区分配内存，并设置默认初始值。

2.3 解析

解析阶段，是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。

3、初始化

初始化阶段是类加载过程的最后一步，主要是根据程序中的赋值语句主动为类变量赋值。

（注：当有父类且父类为初始化的时候，先去初始化父类；再进行子类初始化语句）

类加载器之间的这种层次关系叫做双亲委派模型。

13.双亲委派模型

双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。这里的类加载器之间的父子关系一般不是以继承关系实现的，而是用组合实现的。

14.双亲委派模型的工作过程

如果一个类接受到类加载请求，他自己不会去加载这个请求，而是将这个类加载请求委派给父类加载器，这样一层一层传送，直到到达启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）。

只有当父类加载器无法加载这个请求时，子加载器才会尝试自己去加载。

15.为何要双亲委派机制（避免同一个类加载出不同的结果使得程序混乱）

为何要采用双亲委派机制呢？了解为何之前，我们先来说明一个知识点：判断两个类相同的前提是这两个类都是同一个加载器进行加载的，如果使用不同的类加载器进行加载同一个类，也会有不同的结果。

如果没有双亲委派机制，会出现什么样的结果呢？比如我们在rt.jar中随便找一个类，如java.util.HashMap,那么我们同样也可以写一个一样的类，也叫java.util.HashMap存放在我们自己的路径下(ClassPath).那样这两个相同的类采用的是不同的类加载器，系统中就会出现两个不同的HashMap类，这样引用程序就会出现一片混乱。