Java岗大厂面试百日冲刺【Day25】—— JVM1

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本文已获得原作者 _陈哈哈 授权并经过重新整理规划后发布。

本栏目Java开发岗高频面试题主要出自以下各技术栈：Java基础知识、集合容器、并发编程、JVM、Spring全家桶、MyBatis等ORMapping框架、MySQL数据库、Redis缓存、RabbitMQ消息队列、Linux操作技巧等。

面试题1：你遇到过哪些OOM情况，什么原因造成的？怎么解决的？

该问题主要针对你遇到的实际问题出发，可以根据你实际遇到过的情况和场景，结合下面每种情况的具体原因和解决方式，整理后回答。

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1、Java heap space

当堆内存（Heap Space）没有足够空间存放新创建的对象时，就会抛出 java.lang.OutOfMemoryError:Javaheap space错误（根据实际生产经验，可以对程序日志中的 OutOfMemoryError 配置关键字告警，一经发现，立即处理）。

原因分析

Javaheap space 错误产生的常见原因可以分为以下几类：

  1. 请求创建一个超大对象，通常是一个大数组。
  2. 超出预期的访问量/数据量，通常是上游系统请求流量飙升，常见于各类促销/秒杀活动，可以结合业务流量指标排查是否有尖状峰值。
  3. 过度使用终结器（Finalizer），该对象没有立即被 GC。
  4. 内存泄漏（Memory Leak），大量对象引用没有释放，JVM 无法对其自动回收，常见于使用了 File 等资源没有回收。

解决方案

针对大部分情况，通常只需要通过-Xmx 参数调高 JVM 堆内存空间即可。如果仍然没有解决，可以参考以下情况做进一步处理：

  1. 如果是超大对象，可以检查其合理性，比如是否一次性查询了数据库全部结果，而没有做结果数限制。
  2. 如果是业务峰值压力，可以考虑添加机器资源，或者做限流降级。
  3. 如果是内存泄漏，需要找到持有的对象，修改代码设计，比如关闭没有释放的连接。

2、GC overhead limit exceeded

当 Java 进程花费 98% 以上的时间执行 GC，但只恢复了不到 2% 的内存，且该动作连续重复了 5 次，就会抛出 java.lang.OutOfMemoryError:GC overhead limit exceeded 错误。简单地说，就是应用程序已经基本耗尽了所有可用内存， GC 也无法回收。

此类问题的原因与解决方案跟 Javaheap space 非常类似，可以参考上条。

3、Permgen space

该错误表示永久代（Permanent Generation）已用满，通常是因为加载的 class 数目太多或体积太大。

原因分析

永久代存储对象主要包括以下几类：

  1. 加载/缓存到内存中的 class 定义，包括类的名称，字段，方法和字节码；
  2. 常量池；
  3. 对象数组/类型数组所关联的 class；
  4. JIT 编译器优化后的 class 信息。
  5. PermGen 的使用量与加载到内存的 class 的数量/大小正相关。

解决方案

根据 Permgen space 报错的时机，可以采用不同的解决方案，如下所示：

  1. 程序启动报错，修改 -XX:MaxPermSize 启动参数，调大永久代空间。
  2. 应用重新部署时报错，很可能是没有应用没有重启，导致加载了多份 class 信息，只需重启 JVM 即可解决。
  3. 运行时报错，应用程序可能会动态创建大量 class，而这些 class 的生命周期很短暂，但是 JVM 默认不会卸载 class，可以设置 -XX:+CMSClassUnloadingEnabled 和 -XX:+UseConcMarkSweepGC这两个参数允许 JVM 卸载 class。

如果上述方法无法解决，可以通过 jmap 命令 dump 内存对象 jmap-dump:format=b,file=dump.hprof ，然后利用 Eclipse MAT https://www.eclipse.org/mat 功能逐一分析开销最大的 classloader 和重复 class。

4、Metaspace

JDK 1.8 使用 Metaspace 替换了永久代（Permanent Generation），该错误表示 Metaspace 已被用满，通常是因为加载的 class 数目太多或体积太大。

此类问题的原因与解决方法跟 Permgenspace 非常类似，可以参考上文。需要特别注意的是调整 Metaspace 空间大小的启动参数为-XX:MaxMetaspaceSize。

5、Unable to create new native thread

每个 Java 线程都需要占用一定的内存空间，当JVM 向底层操作系统请求创建一个新的 native 线程时，如果没有足够的资源分配就会报此类错误。

原因分析

JVM 向 OS 请求创建 native 线程失败，就会抛出 Unableto createnewnativethread，常见的原因包括以下几类：

  1. 线程数超过操作系统最大线程数 ulimit 限制；
  2. 线程数超过 kernel.pid_max（只能重启）；
  3. native 内存不足；

该问题发生的常见过程主要包括以下几步：

  1. JVM 内部的应用程序请求创建一个新的 Java 线程；
  2. JVM native 方法代理了该次请求，并向操作系统请求创建一个 native 线程；
  3. 操作系统尝试创建一个新的 native 线程，并为其分配内存；
  4. 如果操作系统的虚拟内存已耗尽，或是受到 32 位进程的地址空间限制，操作系统就会拒绝本次 native 内存分配；
  5. JVM 将抛出 java.lang.OutOfMemoryError:Unableto createnewnativethread 错误。

解决方案

  1. 升级配置，为机器提供更多的内存；
  2. 降低 Java Heap Space 大小；
  3. 修复应用程序的线程泄漏问题；
  4. 限制线程池大小；
  5. 使用 -Xss 参数减少线程栈的大小；
  6. 调高 OS 层面的线程最大数：执行 ulimia-a 查看最大线程数限制，使用 ulimit-u xxx 调整最大线程数限制。

6、Out of swap space？

该错误表示所有可用的虚拟内存已被耗尽。虚拟内存（Virtual Memory）由物理内存（Physical Memory）和交换空间（Swap Space）两部分组成。当运行时程序请求的虚拟内存溢出时就会报 Outof swap space 错误。

原因分析

该错误出现的常见原因包括以下几类：

  1. 地址空间不足；
  2. 物理内存已耗光；
  3. 应用程序的本地内存泄漏（native leak），例如不断申请本地内存，却不释放。
  4. 执行 jmap-histo:live 命令，强制执行 Full GC；如果几次执行后内存明显下降，则基本确认为 Direct ByteBuffer 问题。

解决方案

根据错误原因可以采取如下解决方案：

  1. 升级地址空间为 64 bit；
  2. 使用 Arthas 检查是否为 Inflater/Deflater 解压缩问题，如果是，则显式调用 end 方法。
  3. Direct ByteBuffer 问题可以通过启动参数 -XX:MaxDirectMemorySize 调低阈值。
  4. 升级服务器配置/隔离部署，避免争用。

7、 Kill process or sacrifice child

有一种内核作业（Kernel Job）名为 Out of Memory Killer，它会在可用内存极低的情况下“杀死”（kill）某些进程。OOM Killer 会对所有进程进行打分，然后将评分较低的进程“杀死”，具体的评分规则可以参考 Surviving the Linux OOM Killer。

不同于其他的 OOM 错误， Killprocessorsacrifice child 错误不是由 JVM 层面触发的，而是由操作系统层面触发的。

原因分析

默认情况下，Linux 内核允许进程申请的内存总量大于系统可用内存，通过这种“错峰复用”的方式可以更有效的利用系统资源。

然而，这种方式也会无可避免地带来一定的“超卖”风险。例如某些进程持续占用系统内存，然后导致其他进程没有可用内存。此时，系统将自动激活 OOM Killer，寻找评分低的进程，并将其“杀死”，释放内存资源。

解决方案

  1. 升级服务器配置/隔离部署，避免争用。
  2. OOM Killer 调优。

8、Requested array size exceeds VM limit

JVM 限制了数组的最大长度，该错误表示程序请求创建的数组超过最大长度限制。

JVM 在为数组分配内存前，会检查要分配的数据结构在系统中是否可寻址，通常为 Integer.MAX_VALUE-2。

此类问题比较罕见，通常需要检查代码，确认业务是否需要创建如此大的数组，是否可以拆分为多个块，分批执行。

9、Direct buffer memory

Java 允许应用程序通过 Direct ByteBuffer 直接访问堆外内存，许多高性能程序通过 Direct ByteBuffer 结合内存映射文件（Memory Mapped File）实现高速 IO。

原因分析

Direct ByteBuffer 的默认大小为 64 MB，一旦使用超出限制，就会抛出 Directbuffer memory 错误。

解决方案

  1. Java 只能通过 ByteBuffer.allocateDirect 方法使用 Direct ByteBuffer，因此，可以通过 Arthas 等在线诊断工具拦截该方法进行排查。
  2. 检查是否直接或间接使用了 NIO，如 netty，jetty 等。
  3. 通过启动参数 -XX:MaxDirectMemorySize 调整 Direct ByteBuffer 的上限值。
  4. 检查 JVM 参数是否有 -XX:+DisableExplicitGC 选项，如果有就去掉，因为该参数会使 System.gc() 失效。
  5. 检查堆外内存使用代码，确认是否存在内存泄漏；或者通过反射调用 sun.misc.Cleaner 的 clean() 方法来主动释放被 Direct ByteBuffer 持有的内存空间。
  6. 内存容量确实不足，升级配置。

面试题2：说说JVM的内存结构？

Java 虚拟机在执行 Java 程序的过程中会把它管理的内存划分为若干个不同的数据区域。每个区域都有各自的作用，其中有一些会随着虚拟机启动而创建，随着虚拟机退出而销毁。另外一些则是与线程一一对应的，这些与线程一一对应的数据区域会随着线程开始和结束而创建和销毁。

  1. 线程私有：程序计数器、JVM栈、本地栈
  2. 线程共享：堆、方法区（永久代或元空间、代码缓存）

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堆内存（Java Heap）

对于大多数应用来说，Java堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。

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Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做“GC堆”。如果从内存回收的角度看，由于现在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间，默认情况下年轻代按照8:1:1的比例来分配。

方法区（Method Area）

与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于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。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该是与Java堆区分开来。

对于习惯在HotSpot虚拟机上开发和部署程序的开发者来说，很多人愿意把方法区称为“永久代”（Permanent Generation），本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已。

程序计数器（Program Counter Register）

程序计数器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。在虚拟机的概念模型里（仅是概念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现），字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

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。

JVM栈（JVM Stacks）

与程序计数器一样，Java虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：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。

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局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型、对象引用和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。

在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：

  1. 如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；
  2. 如果虚拟机栈可以动态扩展，当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈（Native Method Stacks）

本地方法栈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。

虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机（譬如Sun HotSpot虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

面试题3：说一下new一个对象的过程是什么样的？

当虚拟机遇见new关键字时候，实现判断当前类是否已经加载，如果类没有加载，首先执行类的加载机制，加载完成后再为对象分配空间、初始化等。

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首先校验当前类是否被加载，如果没有加载，执行类加载机制

  1. 加载：就是从字节码加载成二进制流的过程
  2. 验证：当然加载完成之后，当然需要校验Class文件是否符合虚拟机规范，跟我们接口请求一样，第一件事情当然是先做个参数校验了
  3. 准备：为静态变量、常量赋默认值
  4. 解析：把常量池中符号引用(以符号描述引用的目标)替换为直接引用(指向目标的指针或者句柄等)的过程
  5. 初始化：执行static代码块(cinit)进行初始化，如果存在父类，先对父类进行初始化

tips：静态代码块是绝对线程安全的，只能隐式被java虚拟机在类加载过程中初始化调用！

当类加载完成之后，紧接着就是对象分配内存空间和初始化的过程

  1. 首先为对象分配合适大小的内存空间
  2. 接着为实例变量赋默认值
  3. 设置对象的头信息，对象hash码、GC分代年龄、元数据信息等
  4. 执行构造函数(init)初始化