Java 虚拟机面试二

垃圾收集

【困难】如何判断 Java 对象是否可以被回收？⭐⭐⭐

判断 Java 对象是否可以被回收有两种方法：

• 引用计数法
• 可达性分析法

引用计数法

引用计数算法（Reference Counting）的原理是：在对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值就加一；当引用失效时，计数器值就减一；任何时刻计数器为零的对象就是不可能再被使用的。

引用计数算法简单高效，但是存在循环引用问题——两个对象出现循环引用的情况下，此时引用计数器永远不为 0，导致无法对它们进行回收。

public class ReferenceCountingGC {
    public Object instance = null;

    public static void main(String[] args) {
        ReferenceCountingGC objectA = new ReferenceCountingGC();
        ReferenceCountingGC objectB = new ReferenceCountingGC();
        objectA.instance = objectB;
        objectB.instance = objectA;
    }
}

因为循环引用的存在，所以 Java 虚拟机不适用引用计数算法。

可达性分析法

通过 GC Roots 作为起始点进行搜索，JVM 将能够到达到的对象视为存活，不可达的对象视为死亡。

可作为 GC Roots 的对象包括下面几种：

• 虚拟机栈（栈帧中的局部变量表）中引用的对象（如当前方法局部变量）。
• 本地方法栈（JNI）中引用的 Native 对象。
• 方法区中静态属性（static字段）引用的对象。
• 方法区中常量（final常量）引用的对象。

方法区的回收条件

主要回收废弃常量和不再使用的类。

不再使用的类定义如下：

• Java 堆中不存在该类的任何实例。
• 加载该类的 ClassLoader 已被回收。
• 该类对应的 Class 对象无任何地方引用（如反射）。

以上为类卸载必要条件，且全部满足也不一定被卸载。

常见内存泄漏场景

内存泄漏的本质是对象无法回收，常见的有以下情况：

• 静态容器（如 static HashMap）持有对象。
• 未关闭的资源（如数据库连接、流）。
• 监听器未注销。
• 不合理使用 finalize() 导致对象复活。

【中等】为什么不建议使用 finalize()？

finalize() 类似 C++ 的析构函数，用来做关闭外部资源等工作。finalize() 方法是 Java 提供的对象被垃圾回收前最后的自救机会（在 GC 时被调用一次）。

• 调用时机：对象被标记为垃圾后、实际回收前，由 JVM 的垃圾回收线程触发（不保证立即执行）。
• 自救机制：在 finalize() 中重新让对象被引用（如赋值给静态变量），可避免本次回收。
• 风险：
  • 执行时机不确定，可能永远不调用。
  • 性能差（延迟回收），易导致内存泄漏。

不要使用 finalize()！在 Java 9 后，finalize() 直接被标记为 @Deprecated。推荐用 try-with-resources 或显式调用 close() 管理资源。

【中等】Java 对象有哪些引用类型？⭐⭐

在 Java 中，对象的引用类型决定了它们如何被垃圾回收（GC）处理，主要分为 4 种引用类型，按强度从高到低排列如下：

引用类型	回收时机	是否可获取对象（get()）	典型用途
强引用	永不回收（除非显式置空）	是	常规对象
软引用	内存不足时	是	缓存
弱引用	GC 运行时	是	避免内存泄漏（如 WeakHashMap）
虚引用	GC 运行时	否	对象回收跟踪（如堆外内存管理）

（1）强引用（Strong Reference）

被强引用关联的对象不会被垃圾收集器回收。

强引用：使用 new 一个新对象的方式来创建强引用。

Object obj = new Object(); // 强引用

回收条件：当 obj = null 或超出作用域时，对象变为可回收状态。

（2）软引用（Soft Reference）

被软引用关联的对象，只有在内存不够的情况下才会被回收。

软引用：使用 SoftReference 类来创建软引用。

SoftReference<Object> softRef = new SoftReference<>(new Object());
Object obj = softRef.get(); // 可能返回 null（如果被回收）

用途：适合实现缓存（如图片缓存）。

（3）弱引用（Weak Reference）

被弱引用关联的对象一定会被垃圾收集器回收，也就是说它只能存活到下一次垃圾收集发生之前。

使用 WeakReference 类来实现弱引用

WeakReference<Object> weakRef = new WeakReference<>(new Object());
System.gc();
Object obj = weakRef.get(); // 通常返回 null

用途：适合临时缓存（如 WeakHashMap 的键）、避免内存泄漏。

（4）虚引用（Phantom Reference）

虚引用又称为幽灵引用或者幻影引用。

无法通过虚引用获取对象（get() 始终返回 null）：一个对象是否有虚引用的存在，完全不会对其生存时间构成影响，也无法通过虚引用取得一个对象实例。

为一个对象设置虚引用关联的唯一目的就是能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知。

使用 PhantomReference 来实现虚引用。

ReferenceQueue<Object> queue = new ReferenceQueue<>();
PhantomReference<Object> phantomRef = new PhantomReference<>(new Object(), queue);
System.gc();
Reference<?> ref = queue.poll(); // 不为 null 说明对象被回收

用途：管理堆外内存（如 NIO 的 DirectByteBuffer）。

对比：

1. 强引用是默认方式，其他引用需显式使用 java.lang.ref 包下的类。
2. 软引用 vs 弱引用：
   • 软引用适合保留缓存直到内存紧张；
   • 弱引用立即释放，避免内存泄漏。
3. 虚引用的唯一用途是关联 ReferenceQueue，用于对象回收后的通知。

通过合理选择引用类型，可以优化内存管理并避免内存泄漏问题。

【中等】Java 中有哪些垃圾回收算法？⭐⭐⭐

Java 中的垃圾回收（GC）算法主要分为以下几类，每种算法针对不同的场景和内存区域（如年轻代、老年代）进行优化。

垃圾收集的性能指标主要有两点：

• 停顿时间 - 停顿时间是因为 GC 而导致程序不能工作的时间长度。
• 吞吐量 - 吞吐量关注在特定的时间周期内一个应用的工作量的最大值。对关注吞吐量的应用来说长暂停时间是可以接受的。由于高吞吐量的应用关注的基准在更长周期时间上，所以快速响应时间不在考虑之内。

以下是核心算法及其特点的概括：

标记-清除算法（Mark-Sweep）

• 原理：
  1. 标记：从 GC Roots 出发，标记所有可达对象。
  2. 清除：遍历堆内存，回收未被标记的对象。
• 缺点：
  • 产生内存碎片（不连续空间），可能导致大对象分配失败。
  • 效率较低（需遍历全堆）。
• 适用场景：老年代（如 CMS 回收器的初始阶段）。

标记-整理算法（Mark-Compact）

• 原理：
  1. 标记：与标记-清除相同，标记可达对象。
  2. 整理：将存活对象向内存一端移动，清理边界外空间。
• 优点：避免内存碎片。
• 缺点：移动对象开销大（需更新引用地址）。
• 适用场景：适合老年代，对象存活率高（如 Serial Old、Parallel Old 回收器）。

复制算法（Copying）

• 原理：
  • 将内存分为两块（From 和 To 空间），每次只使用一块。
  • GC 时将存活对象从 From 复制到 To 空间，并清空 From。
• 优点：
  • 无内存碎片。
  • 高效（仅复制存活对象）。
• 缺点：内存利用率仅 50%（需预留一半空间）。
• 适用场景：年轻代（如 Serial、ParNew 等回收器），因年轻代对象存活率低。
• 优化：实际 JVM 将年轻代分为 Eden 和 Survivor（From/To） 区（比例通常为 8:1:1），通过多次复制到 Survivor 区避免浪费。

分代收集算法（Generational Collection）

分代收集是 JVM 在吞吐量、延迟和内存占用之间找到的经典平衡点，而新一代 GC 则通过更复杂的并发机制尝试突破其限制。

跨代引用处理：使用记忆集（Remembered Set）记录老年代对年轻代的引用，避免全堆扫描。

根据对象存活周期将堆分为年轻代和老年代，对不同区域采用不同算法：

• 年轻代：复制算法（因对象朝生夕死，存活率低）。
• 老年代：标记-清除或标记-整理（因对象存活率高）。
• 永久代：这部分就是早期 Hotspot JVM 的方法区实现方式了，储存 Java 类元数据、常量池、Intern 字符串缓存。在 JDK 8 之后就不存在永久代这块儿了。

分区算法（Region-Based）

• 原理：将堆划分为多个独立区域（如 G1 的 Region），优先回收垃圾最多的区域。
• 优点：
  • 控制每次回收的区域数量，减少停顿时间（STW）。
  • 适合大内存应用（如 G1、ZGC、Shenandoah）。

增量算法（Incremental）

• 目标：减少单次 GC 停顿时间，通过分阶段执行 GC 与用户线程交替运行。
• 缺点：
  • 线程切换开销大，整体吞吐量可能下降。
• 现代实现：如 CMS 的并发标记阶段。

常见垃圾回收器与算法对应

回收器	新生代算法	老年代算法	特点
Serial	复制	标记-整理	单线程，STW 时间长。
ParNew	复制	标记-整理	Serial 的多线程版。
Parallel Scavenge	复制	标记-整理	吞吐量优先。
CMS	-	标记-清除（并发）	低延迟，但内存碎片多。
G1	复制 + 分区	标记-整理 + 分区	兼顾吞吐与延迟，Region 分区。
ZGC/Shenandoah	复制 + 分区	标记-整理 + 分区	亚毫秒级停顿，并发标记/整理。

现代 JVM 趋向于使用分代+分区+并发的复合算法（如 G1），在吞吐量和延迟之间取得平衡。

【中等】Java 中常见的垃圾收集器有哪些？⭐⭐⭐

以下是 Java 主要垃圾收集器的详细对比表格，涵盖算法、特点、适用场景和关键参数：

垃圾收集器	分类	算法	目标	适用场景	JDK 版本	启用参数	优缺点
Serial GC	串行	新生代：复制 老年代：标记-整理	简单低开销	单核、客户端应用、小堆	所有版本	-XX:+UseSerialGC	✅ 内存占用小 ❌ 全程 STW，延迟高
Parallel Scavenge	并行（吞吐优先）	新生代：复制	高吞吐量	后台计算、多核大堆	JDK 1.4+	-XX:+UseParallelGC	✅ 吞吐量高 ❌ 停顿时间较长
Parallel Old	并行（吞吐优先）	老年代：标记-整理	配合 Parallel Scavenge	与 Parallel Scavenge 搭配使用	JDK 6+	-XX:+UseParallelOldGC	✅ 老年代并行回收 ❌ 仍以吞吐优先，延迟较高
ParNew	并行	新生代：复制	低停顿（与 CMS 配合）	需与 CMS 搭配的多核环境	JDK 1.4+	-XX:+UseParNewGC	✅ 多线程版 Serial GC ❌ 仅新生代，需搭配 CMS
CMS	并发（低延迟）	老年代：标记-清除	最小化停顿时间	老年代低延迟应用	JDK 1.4-14	-XX:+UseConcMarkSweepGC	✅ 并发收集，低停顿 ❌ 内存碎片、并发模式失败风险
G1	分区+并发	标记-整理（分 Region）	平衡吞吐与延迟	大堆（数十 GB）、JDK 8+ 默认	JDK 7+（JDK 9+默认）	-XX:+UseG1GC	✅ 可预测停顿、大堆友好 ❌ 内存占用略高
ZGC	并发	染色指针+读屏障	亚毫秒级停顿（<10ms）	超大堆（TB 级）、云原生	JDK 11+	-XX:+UseZGC	✅ 极低停顿、堆大小几乎无限制 ❌ JDK 11+ 支持，兼容性要求高
Shenandoah	并发	转发指针+读屏障	低延迟（与 ZGC 竞争）	Red Hat 系、低延迟大堆	JDK 12+	-XX:+UseShenandoahGC	✅ 并发压缩、无停顿扩展 ❌ 非 Oracle 官方默认

关键对比维度

• 吞吐量：Parallel GC（Parallel Scavenge + Parallel Old）最优。
• 延迟：ZGC/Shenandoah < G1 < CMS < Parallel GC。
• 堆大小：
  • 小堆（<4GB）：Serial GC / Parallel GC。
  • 大堆（4GB~数十 GB）：G1。
  • 超大堆（TB 级）：ZGC/Shenandoah。
• 版本兼容性：
  • JDK 8：默认 Parallel GC，可选 G1/CMS（CMS 已废弃）。
  • JDK 11+：默认 G1，可选 ZGC/Shenandoah。

选择建议

• 常规服务端应用：JDK 8 用 G1，JDK 11+ 用 ZGC（若需超低延迟）。
• 批处理任务：Parallel GC（高吞吐优先）。
• 资源受限环境：Serial GC（如嵌入式设备）。
• 兼容性测试：JDK 11+ 可试用 Shenandoah（非 Oracle 官方构建需注意）。

通过此表格可快速定位适合业务需求的 GC 组合。

【困难】Java 中的 Young GC、Old GC、Full GC 和 Mixed GC 的区别是什么？⭐⭐

类型	核心回收区域	触发时机	回收目标	暂停特性
Young GC	新生代（Eden + S0/S1）	Eden 区满，无法为新对象分配内存时	回收新生代的临时对象	暂停时间短、频率高
Old GC	老年代	老年代空间不足（仅 CMS/G1 支持单独回收）	回收老年代的长期存活对象	暂停时间较长、频率低
Full GC	新生代 + 老年代 / 元空间	老年代满 / 元空间满 / 分配担保失败 / 显式触发等	回收全堆垃圾	暂停时间最长、性能影响大
Mixed GC	新生代 + 部分老年代	G1 特有，老年代占比达到阈值（IHOP）时	同时回收新生代 + 部分老年代	暂停时间可控（增量回收）

Young GC

Young GC 又称为 YGC 或 Minor GC，即年轻代垃圾回收。仅针对新生代（Eden 区 + Survivor 区） 的垃圾回收，是 JVM 中最频繁的 GC 类型，几乎所有垃圾回收器（ParallelGC、CMS、G1、ZGC）都支持。

触发条件：

• 核心触发条件：新对象要分配内存时，Eden 区空间不足（最常见）；
• 次要条件：Survivor 区空间不足，无法存放 Eden 区存活对象时（极少）。

执行逻辑（以复制算法为例）：

• 暂停所有用户线程（STW，Stop The World）；
• 标记 Eden 区和 From Survivor 区的存活对象；
• 将存活对象复制到 To Survivor 区（若对象年龄达到晋升阈值，直接复制到老年代）；
• 清空 Eden 区和 From Survivor 区，交换 From/To Survivor 区的角色。

性能特点：

• 暂停时间短（新生代对象大多是 “朝生夕死”，存活对象少，复制成本低）；
• 频率高（应用运行中不断创建临时对象，Eden 区快速填满）；
• 对应用性能影响小（单次暂停通常毫秒级）。

参数：

• -XX:MaxTenuringThreshold=15：晋升老年代的年龄阈值。
• -XX:SurvivorRatio=8：Eden 区与单个 Survivor 区的比例（默认 8:1:1）。

Old GC

Old GC (Major GC 或 OGC) ，老年代垃圾回收。仅针对老年代的垃圾回收，并非所有回收器都支持（ParallelGC 不支持单独 Old GC，必须和 Young GC 一起触发 Full GC；CMS/G1 支持）。

触发条件：当老年代空间不足时触发，通常是当从年轻代晋升到老年代的对象过多，或者老年代的存活对象数量达到一定阈值时。

执行逻辑（以 CMS 为例）：

• 初始标记（STW）：标记老年代中直接被 GC Roots 引用的对象；
• 并发标记（不暂停）：遍历老年代的存活对象，耗时较长但不影响用户线程；
• 重新标记（STW）：修正并发标记期间的对象状态变化；
• 并发清理（不暂停）：清理老年代的垃圾对象（不压缩，会产生内存碎片）。

特点：

• 暂停时间比 Young GC 长（老年代对象存活时间长，标记 / 清理成本高）；
• 频率低（老年代对象生命周期长，空间增长慢）；
• CMS 的 Old GC 大部分阶段并发执行，STW 时间较短；G1 的 Old GC 仍以 STW 为主。

Full GC

Full GC 针对新生代 + 老年代 + 元空间（Metaspace） 的全区域垃圾回收，是 JVM 中代价最高的 GC 类型，会导致应用长时间卡顿。

Full GC 触发条件

触发条件	具体原因	关联参数/备注
老年代空间不足	老年代无法通过垃圾回收释放足够空间，无法容纳新晋升的对象	-Xmx、-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction（CMS 触发阈值）
永久代/元空间不足	Java 7 及之前：永久代（PermGen）耗尽 Java 8+：元空间（Metaspace）超过阈值	-XX:MetaspaceSize、-XX:MaxMetaspaceSize（Java 8+）
显式调用 System.gc()	代码调用 System.gc() 或通过 jmap -dump 等工具触发（不保证立即执行）	-XX:+DisableExplicitGC（禁用显式 GC）
空间分配担保失败	年轻代晋升时，老年代剩余空间不足（Promotion Failed）	-XX:HandlePromotionFailure（JDK 6u24 后默认启用）
晋升老年代失败	大对象或长期存活对象直接进入老年代，但老年代空间不足	-XX:PretenureSizeThreshold（大对象直接晋升阈值）
平均晋升大小预测失败	Young GC 前，统计发现历史平均晋升大小 > 老年代当前剩余空间	依赖 JVM 自适应策略（如 -XX:+UseAdaptiveSizePolicy）

Full GC，全堆垃圾回收

• 作用范围：对整个堆内存（包括年轻代和老年代）进行回收。
• 触发条件：当老年代空间不足且无法通过老年代垃圾回收释放足够空间，或其他情况导致系统内存压力较大时触发（如 System.gc() 调用）。
• 执行方式：回收所有代（年轻代、老年代）中的垃圾，并且可能会伴随着元空间的回收。
• 特点：回收时间最长，会触发整个 JVM 的停顿（Stop - The - World），对性能有较大影响，通常不希望频繁发生。

减少 Full GC 的优化策略

优化方向	具体措施	关键参数示例
调整堆内存	增大堆大小，避免老年代频繁耗尽	-Xms4g -Xmx4g（初始和最大堆一致，避免动态扩容）
增大年轻代比例	减少对象过早晋升到老年代	-XX:NewRatio=2（老年代：新生代=2:1）、-Xmn2g（直接设置年轻代大小）
调整元空间大小	避免元空间动态扩展触发 Full GC	-XX:MetaspaceSize=256m -XX:MaxMetaspaceSize=512m
避免大对象直接晋升	减少大对象分配或调整晋升阈值	-XX:PretenureSizeThreshold=1m（>1MB 对象直接进老年代）
选择低延迟 GC 算法	如 G1 或 ZGC，减少 Full GC 频率	-XX:+UseG1GC、-XX:+UseZGC
监控与调优	通过日志分析 Full GC 原因（如 -XX:+PrintGCDetails）	jstat -gcutil、jmap -histo 等工具辅助定位问题。

常见表现与影响

• 应用卡顿：STW 导致所有业务线程暂停（如接口超时、TPS 骤降）。
• 频繁 Full GC：可能由内存泄漏、不合理对象分配或 JVM 参数配置不当引起（如 -Xmx 过小）。

优化建议

• 避免内存泄漏：检查长生命周期对象（如缓存）是否无限制增长。
• 调整 JVM 参数：
  • 增大老年代空间（-Xmx 和 -Xms 设为一致，避免动态扩容触发 GC）。
  • 优化晋升阈值（-XX:MaxTenuringThreshold）。
  • 使用更高效的 GC 器（如 G1/ZGC 替代 CMS）。
• 禁用显式 GC：添加 -XX:+DisableExplicitGC。

关键参数

参数	作用
-XX:+PrintGCDetails	打印 GC 日志，分析 Full GC 原因
-XX:MetaspaceSize=256m	设置元空间初始大小
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=70	CMS 老年代占用率触发阈值

总结：Full GC 是 JVM 内存回收的最后手段，触发条件复杂，需结合日志和监控定位根本原因，针对性优化堆大小、GC 策略或代码逻辑。

Mixed GC

G1 收集器特有的回收行为，同时回收新生代 + 部分老年代（并非全量老年代），是 G1 替代 Full GC 的核心策略。

• 作用范围：同时回收年轻代和部分老年代区域。
• 触发条件：当 G1 垃圾回收器发现老年代区域的垃圾过多时触发。
• 执行方式：混合回收年轻代和部分老年代区域，主要目的是减少老年代中的垃圾积压。
• 特点：结合了 YGC 的快速回收和 OGC 的深度回收，尽量减少停顿时间，适用于大内存应用。

【困难】Java 的 CMS 垃圾回收流程是怎样的？⭐⭐

CMS 是一种以低延迟为目标的垃圾回收器，主要用于老年代回收，其核心流程分为四个阶段，其中两个阶段会触发 STW（Stop-The-World），其余阶段与用户线程并发执行。

CMS 收集器运行步骤如下：

1. 初始标记：仅仅只是标记一下 GC Roots 能直接关联到的对象，速度很快，需要停顿。
2. 并发标记：进行 GC Roots Tracing 的过程，它在整个回收过程中耗时最长，不需要停顿。
3. 重新标记：修正并发标记的错误，需要停顿。
4. 并发清除：回收在标记阶段被鉴定为不可达的对象。不需要停顿。

在整个过程中耗时最长的并发标记和并发清除过程中，收集器线程都可以与用户线程一起工作，不需要进行停顿。

CMS 的缺陷与应对措施

• 内存碎片：长期运行后可能触发 Full GC（压缩内存），通过 -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction 设置压缩频率。
• 并发模式失败（Concurrent Mode Failure）：
  • 老年代空间不足时，退化为 Serial Old 收集器（STW 时间更长）。
  • 优化：调整 -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction（默认 68%，建议 70-80%）。
• 浮动垃圾：需预留空间（通过 -XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly 避免动态调整阈值）。

【困难】Java 的 G1 垃圾回收流程是怎样的？⭐⭐

G1 是 JDK 9 默认的垃圾回收器，面向全堆（新生代 + 老年代），按「Region 分区」管理内存，核心目标是「可控的 STW 时间」（通过-XX:MaxGCPauseMillis指定最大暂停目标），优先回收垃圾占比高的 Region。

核心设计思想

• 分区（Region）模型：将堆划分为多个大小相等的 Region（默认约 2048 个），动态分代（逻辑区分 Eden/Survivor/Old/Humongous 区）。
• 停顿预测模型：根据用户设定的 -XX:MaxGCPauseMillis（默认 200ms），优先回收垃圾最多（Garbage-First）的 Region。
• 并发标记：减少 STW 时间，但最终标记和拷贝阶段仍需停顿。
• 混合回收：兼顾年轻代和老年代，避免 Full GC。
• 适用场景：大堆内存（4GB+）、需平衡吞吐与延迟的应用（如 JDK9+默认 GC）。

G1 的垃圾回收分为两大阶段：

1. 并发标记阶段（Concurrent Marking，基于 SATB 算法）
2. 对象拷贝阶段（Evacuation，STW）

G1 并发标记阶段（SATB-Based）

1. 初始标记（Initial Marking，STW）：标记从 GC Roots 直接可达的对象。
   • 短暂 STW（Stop-The-World）。
   • 使用**外部 Bitmap **记录存活对象（而非对象头）。
   • 通常与年轻代回收（Young GC）同步触发。
2. 并发标记（Concurrent Marking）：递归标记所有可达对象。
   • 与用户线程并发执行。
   • 使用** SATB（Snapshot-At-The-Beginning）**算法记录标记过程中的引用变化（通过写屏障维护）。
3. 最终标记（Final Marking，STW）：处理 SATB 队列中的引用变更，完成最终标记。
   • 短暂 STW。
   • 修正并发标记期间漏标的对象。
4. 清理阶段（Cleanup，STW）
   • 统计每个 Region 的存活对象比例。
   • 回收完全无存活对象的 Region（直接整区回收）。
   • 生成**回收集合（CSet）**供后续拷贝阶段使用。

对象拷贝阶段（Evacuation，STW）

• 作用：将回收集合（CSet）中的存活对象拷贝到空闲 Region。
• 流程：
  1. 根据标记结果，选择垃圾比例高的 Region 组成 CSet。
  2. 并行将 CSet 中的存活对象复制到新 Region（类似复制算法）。
  3. 清空原 Region，加入空闲列表。
• 特点：
  • 完全 STW，是 G1 的主要停顿来源。
  • 支持混合回收（Mixed GC）：同时回收年轻代和老年代 Region。

G1 Mixed GC（混合回收）

• 触发条件：老年代占用超过阈值（-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent，默认 45%）。
• 行为：
  1. 在年轻代回收时，**额外选择部分老年代 Region **加入 CSet。
  2. 通过-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent控制老年代 Region 的回收阈值（存活对象比例低于该值才回收）。

关键机制

• Remembered Set（RSet）：每个 Region 维护一个 RSet，记录其他 Region 对它的引用，避免全堆扫描。
• Humongous 区：存放大对象（超过 Region 50%），直接分配在 Old 区，避免反复拷贝。

参数配置

参数	作用
-XX:+UseG1GC	启用 G1 回收器
-XX:MaxGCPauseMillis=200	目标最大停顿时间
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45	触发 Mixed GC 的堆占用率阈值
-XX:G1HeapRegionSize=2M	设置 Region 大小（1MB~32MB，需为 2 的幂）

优缺点

• 优势：
  • 可控停顿时间，适合大堆（数十 GB）应用。
  • 内存整理减少碎片（复制算法）。
• 劣势：
  • 内存占用较高（RSet 和并发标记开销）。
  • 复杂场景下可能退化为 Serial Old（如分配失败）。

适用场景

• 替代 CMS，适用于 JDK 8+ 的中大堆应用（如 6GB~100GB）。
• 对延迟敏感且需平衡吞吐量的场景（如微服务、实时系统）。

【困难】Java 的 ZGC 垃圾回收流程是怎样的？

ZGC 是 JDK 11 引入的低延迟垃圾回收器，面向大堆（TB 级），核心目标是「STW 时间控制在 10ms 内」，按「Region 分区」管理内存（支持动态扩容 / 缩容），全程基于「着色指针 + 读屏障」实现几乎全并发的回收，仅两个极短 STW 阶段。

::: ZGC 工作流程

:::

（1）初始标记

• 触发时机：主动触发 GC 时（如堆占用达阈值）；
• 动作：极短 STW→标记 GC Roots（栈、寄存器、静态变量）直接引用的对象→恢复用户线程；
• 记忆点：“闪标根”，耗时微秒级，几乎无感知。

（2）并发标记

• 核心依赖：着色指针（指针中嵌入标记位，无需修改对象本身）；
• 动作：和用户线程并行→从初始标记的根对象出发，遍历全堆标记存活对象→标记位直接写在指针里；
• 记忆点：“并发标”，全堆遍历但不卡应用，标记效率极高。

（3）并发预备重映射

• 动作：并发统计所有 “存活对象占比低” 的 Region（即待回收 Region）→记录需要重映射的 Region 范围；
• 记忆点：“选目标”，挑出要回收的 Region，为移动对象做准备。

（4）最终重映射

• 核心背景：ZGC 会将存活对象复制到新 Region（无碎片），导致指针地址变化；
• 动作：极短 STW→遍历所有线程的栈 / 寄存器，修正指向旧 Region 的指针→指向新 Region 的对象→恢复用户线程；
• 记忆点：“修指针”，仅修正线程上下文的指针，耗时 < 1ms。

（5）并发重置

• 动作：并发清空已回收的旧 Region→重置 Region 的元数据（如标记位、大小）→将 Region 归还给空闲列表；
• 记忆点：“清战场”，全程并发，为下次 GC 腾空间。

ZGC 核心特性

• 着色指针：指针自带标记位，标记 / 重映射无需修改对象，是低延迟的核心；
• 读屏障：用户线程读取对象时触发，自动处理并发标记 / 重映射的指针一致性，无额外 STW；
• 无碎片：全程用复制算法（存活对象移到新 Region），彻底解决内存碎片问题，适合大堆场景。

【困难】JVM 垃圾回收时产生的 concurrent mode failure 的原因是什么？

Concurrent Mode Failure 是 CMS（Concurrent Mark-Sweep） 垃圾回收器在并发清理阶段失败，被迫触发 Full GC（Serial Old） 的现象，导致长时间 STW（Stop-The-World），影响应用响应速度。

CMS 工作流程：

1. 初始标记（Initial Mark）：标记根对象直接关联的对象（短暂停顿）。
2. 并发标记（Concurrent Mark）：与应用线程并发，标记老年代存活对象。
3. 重新标记（Remark）：修正并发标记期间变动的对象（短暂停顿）。
4. 并发清理（Concurrent Sweep）：清除垃圾对象（并发执行）。

优化措施

• 增加老年代内存：调整 -Xmx 和 -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction，降低 CMS 触发频率。
• 调低 CMS 触发阈值：通过 -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=<N> 提前触发回收（如设为 70%）。
• 碎片整理：配置 -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection，在 Full GC 后整理碎片。
• 增加年轻代内存：减少对象晋升老年代的频率，降低老年代压力。

典型 CMS 参数配置示例

java -XX:+UseConcMarkSweepGC \
     -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=70 \
     -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection \
     -Xmx4g -Xms4g YourApplication

调优

【简单】JDK 内置了哪些工具？⭐⭐

以下是较常用的 JDK 命令行工具：

名称	描述
jps	查看 Java 进程。显示系统内的所有 JVM 进程。
jstat	JVM 统计监控工具。监控虚拟机运行时状态信息，它可以显示出 JVM 进程中的类装载、内存、GC、JIT 编译等运行数据。
jmap	生成内存快照（Heap Dump）。用于打印 JVM 进程对象直方图、类加载统计。并且可以生成堆转储快照（一般称为 heapdump 或 dump 文件）。
jstack	线程堆栈分析（排查死锁、线程阻塞）。用于打印 JVM 进程的线程和锁的情况。并且可以生成线程快照（一般称为 threaddump 或 javacore 文件）。
jhat	用来分析 jmap 生成的 dump 文件。
jinfo	查看/修改 JVM 运行参数。用于实时查看和调整 JVM 进程参数。

扩展命令行工具：

• Arthas：Arthas 是阿里开源的 Java 诊断工具，无需重启应用，实时监控方法调用、查看类加载、分析性能瓶颈、热修复代码，快速定位线上问题（如 CPU 飙高、内存泄漏、方法阻塞等）。

以下是较常见的 JVM GUI 工具：

工具名称	主要功能	适用场景	优点	缺点
VisualVM	- 监控内存、CPU、线程、GC - 堆转储分析 - 插件扩展（如 MBeans 监控）	开发调试、性能分析	免费、轻量、JDK 自带	功能较基础，对大堆支持有限
JConsole	- 监控堆、类、线程、MBean - 简单的 GC 分析	快速监控 JVM 状态	JDK 自带，使用简单	功能较少，无法深入分析
Eclipse MAT (Memory Analyzer Tool)	- 分析堆转储（heapdump） - 检测内存泄漏、大对象	内存泄漏排查、OOM 分析	强大的内存分析能力，可视化展示对象引用链	需要手动导出堆转储，对超大堆分析较慢
JProfiler	- CPU 分析、内存分析、线程分析 - 实时监控、方法级调用追踪	企业级性能调优、生产环境监控	功能全面，支持多种分析模式	商业软件（付费），学习成本较高
Java Mission Control (JMC)	- 实时监控 JVM - 飞行记录（Flight Recorder） - 低开销性能分析	生产环境监控、性能诊断	JDK 商业版自带，低开销	部分功能需商业授权（Oracle JDK）

【中等】常用的 JVM 配置参数有哪些？⭐⭐⭐

内存相关参数

参数	作用	适用场景
-Xss	设置每个线程的栈大小
-Xms	初始堆大小	避免堆动态扩展带来的性能波动
-Xmx	最大堆大小	防止 OOM，需留 20% 系统内存余量
-Xmn	新生代大小（建议占堆 1/3~1/2）	优化 GC 频率和停顿时间
-XX:PermSize	永久代空间的初始值	Java 7 及以前用于设置方法区大小，Java 8 废弃
-XX:MaxPermSize	永久代空间的最大值	Java 7 及以前用于设置方法区大小，Java 8 废弃
-XX:MetaspaceSize	元空间初始大小（JDK8+）	避免频繁 Full GC 扩容
-XX:MaxMetaspaceSize	元空间最大大小（默认无限制）	防止元空间占用过多内存
-XX:+UseCompressedOops	启用压缩指针（64 位系统默认开启）	减少内存占用（堆 < 32GB 时有效）
-XX:NewRatio	新生代与年老代的比例（默认为 2）
-XX:SurvivorRatio	Eden 区与 Survivor 区比例（默认 8:1:1）	调整新生代对象晋升速度

GC 相关参数

参数	作用	示例/默认值	适用场景
-XX:+UseG1GC	启用 G1 垃圾收集器（JDK9+ 默认）	-XX:+UseG1GC	大堆（>4GB）低延迟场景
-XX:MaxGCPauseMillis	G1 最大停顿时间目标（毫秒）	-XX:MaxGCPauseMillis=200	控制 GC 延迟
-XX:ParallelGCThreads	并行 GC 线程数（默认=CPU 核数）	-XX:ParallelGCThreads=4	多核服务器优化 GC 效率
-XX:+UseConcMarkSweepGC	启用 CMS 收集器（已废弃，JDK14 移除）	不推荐使用	老年代低延迟（历史项目）
-XX:+PrintGCDetails	打印详细 GC 日志	配合 -Xloggc:/path/gc.log	调试 GC 问题
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError	OOM 时自动生成堆转储文件	-XX:HeapDumpPath=/path/dump.hprof	内存泄漏分析

【中等】如何在 Java 中进行内存泄漏分析？⭐⭐⭐

• 内存泄漏的本质是对象被意外持有无法回收，通过引用链分析找到“谁在引用它”。
• 生产环境优先配置 -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 防患未然。

确认内存泄漏现象

• 堆内存持续增长（通过 jstat -gcutil <pid> 观察 Old Gen 或 Metaspace 使用率）。
• Full GC 频繁但无法回收内存（jstat 显示 Full GC 次数增加）。
• 最终触发 OutOfMemoryError: Java heap space。

获取内存快照

方法 1：主动触发堆转储（Heap Dump）

# 使用 jmap 导出堆转储文件（需进程权限）
jmap -dump:format=b,file=heap.hprof <pid>

# 或配置 JVM 参数自动生成（OOM 时触发）
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=/path/heap.hprof

方法 2：通过工具生成

• VisualVM：右键进程 → "Heap Dump"。
• JConsole："MBeans" → "com.sun.management" → "HotSpotDiagnostic" → "dumpHeap"。

分析堆转储文件

工具选择

工具	特点
Eclipse MAT	功能强大，支持对象引用链分析、泄漏嫌疑报告（推荐首选）。
VisualVM	基础分析，适合快速查看大对象分布。
JProfiler	商业工具，可视化交互好，支持实时监控。

MAT 关键操作步骤

1. 打开堆转储文件：File → Open Heap Dump。
2. 查看泄漏报告：

• 首页会提示 Leak Suspects（泄漏嫌疑对象）。
• 示例报告："java.lang.Thread" instances retained by thread stack（线程未释放）。

3. 分析对象引用链：

• 右键对象 → Path to GC Roots → exclude weak/soft references（排除弱引用）。
• 查找意外被持有的对象（如静态集合、未关闭的资源）。

4. 统计对象占比：Histogram 视图按类/包名分组，排序 Retained Heap（对象总占用内存）。

常见内存泄漏场景与修复

泄漏类型	典型原因	修复方案
静态集合	静态 Map/List 持续添加对象未清除。	使用弱引用（WeakHashMap）或定期清理。
未关闭资源	数据库连接、文件流未调用 close()。	用 try-with-resources 自动关闭。
线程未终止	线程池或 Thread 未销毁（如定时任务）。	调用 shutdown() 或设为守护线程。
缓存未清理	本地缓存（如 Guava Cache）无过期策略。	设置大小限制或过期时间。
监听器未注销	事件监听器未移除（如 Spring Bean）。	在销毁时手动注销监听器。

实时诊断工具（无需堆转储）

Arthas（阿里开源）

# 监控对象增长
watch java.util.HashMap size '{params,returnObj}' -n 5

# 查看类实例数量
sc -d *MyClass | grep classLoaderHash
jad --source-only com.example.LeakClass > LeakClass.java

# 生成火焰图分析 CPU/内存
profiler start -d 30 -f /tmp/flamegraph.html

JVisualVM：安装 VisualGC 插件，实时观察各内存区域变化。

【中等】如何对 Java 的垃圾回收进行调优？⭐⭐

GC 调优的核心思路：尽可能使对象在年轻代被回收，减少对象进入老年代。

调优核心目标

• 降低延迟（Latency）：减少 GC 停顿时间（STW），提升响应速度。
• 提高吞吐量（Throughput）：最大化应用处理业务的时间占比（GC 时间占比最小化）。
• 控制内存占用（Footprint）：合理分配堆内存，避免浪费或频繁扩容。

调优原则

• 数据驱动：基于监控而非猜测调整参数。
• 渐进式修改：每次只改一个参数，观察效果。
• 权衡取舍：低延迟可能牺牲吞吐量，需根据业务需求选择。

通过以上步骤，可系统性地优化 Java GC 性能，解决停顿时间长、吞吐不足等问题。

调优步骤

监控与基线分析

• 工具：
  • jstat -gcutil <pid>：实时监控 GC 各区域使用率。
  • GC 日志：通过 -Xlog:gc* 或 -XX:+PrintGCDetails 记录详细 GC 行为。
  • VisualVM/Grafana + Prometheus：可视化内存和 GC 趋势。
• 关键指标：Young GC / Full GC 频率、平均停顿时间、吞吐量（1 - GC 时间/总时间）。

选择垃圾收集器

收集器	适用场景	关键参数
G1 GC	平衡延迟与吞吐（JDK8+ 默认）	-XX:MaxGCPauseMillis=200（目标停顿时间）
ZGC	超低延迟（JDK11+，大堆）	-XX:+UseZGC -Xmx>8G
Parallel GC	高吞吐量（批处理任务）	-XX:+UseParallelGC -XX:ParallelGCThreads=8

堆内存分配优化

• 总堆大小（-Xms/-Xmx）：
  • 建议设为物理内存的 50%~70%（预留空间给 OS 和其他进程）。
  • 容器化环境需启用 -XX:+UseContainerSupport。
• 新生代与老年代比例：G1 无需手动设置（自动调整），Parallel GC 可设 -Xmn（如堆的 1/3）。

关键参数调优

• G1 专用参数：

  -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45  # 老年代占用阈值触发 Mixed GC
  -XX:G1NewSizePercent=20               # 新生代最小占比
  -XX:G1MaxNewSizePercent=50            # 新生代最大占比

• 通用参数：

  -XX:MetaspaceSize=512M                # 避免元空间动态扩容
  -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError       # OOM 时自动转储内存

避免常见陷阱

• Full GC 频繁：
  • 检查老年代对象晋升过快（调整 -XX:MaxTenuringThreshold）。
  • 避免大对象直接进入老年代（如 -XX:G1HeapRegionSize 适配对象大小）。
• MetaSpace OOM：
  • 增加 -XX:MaxMetaspaceSize（如 1G），并检查动态类生成（反射/CGLIB）。

验证与迭代

• 压测对比：使用相同负载对比调优前后的 GC 日志。
• 持续监控：生产环境通过 APM（如 SkyWalking）观察长周期效果。

调优示例

场景：Web 服务（低延迟优先）

# G1 GC 配置示例
-Xms4G -Xmx4G
-XX:+UseG1GC
-XX:MaxGCPauseMillis=150
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=40
-XX:G1HeapRegionSize=4M
-Xlog:gc*,gc+heap=debug:file=gc.log:time,uptime

场景：大数据计算（高吞吐优先）

# Parallel GC 配置示例
-Xms8G -Xmx8G
-XX:+UseParallelGC
-XX:ParallelGCThreads=4
-XX:MaxGCPauseMillis=500
-XX:+UseAdaptiveSizePolicy  # 自动调整新生代/老年代比例

高级工具

• JFR（Java Flight Recorder）：

  -XX:StartFlightRecording=duration=60s,settings=profile,jfr=memory=on

• Arthas：实时诊断内存泄漏（如 heapdump 命令）。