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。

开篇词 为什么我们要学习 Java 虚拟机？

Java 代码是怎么运行的？

从虚拟机视角来看，执行 Java 代码首先需要将它编译而成的 class 文件加载到 Java 虚拟机中。加载后的 Java 类会被存放于方法区（Method Area）中。实际运行时，虚拟机会执行方法区内的代码。

开篇词：JVM，一块难啃的骨头

略

一探究竟：为什么需要 JVM？它处在什么位置？

JVM - Java Virtual Machine 的缩写，即 Java 虚拟机。JVM 是运行 Java 字节码的虚拟机。JVM 不理解 Java 源代码，这就是为什么要将 *.java 文件编译为 JVM 可理解的 *.class 文件（字节码）。Java 有一句著名的口号：“Write Once, Run Anywhere（一次编写，随处运行）”，JVM 正是其核心所在。实际上，JVM 针对不同的系统（Windows、Linux、MacOS）有不同的实现，目的在于用相同的字节码执行同样的结果。

JVM 简介

【中等】说说 Java 的执行流程？⭐⭐⭐

Java 程序的执行流程经历了从编译到字节码的生成，再到类加载和 JIT 编译的过程，最终在 JVM 中执行。并且在程序运行过程中，JVM 负责内存管理、垃圾回收和线程调度等工作。

主要流程如下：

1. 编码：编写 .java 源码文件。
2. 编译：Java 编译器（javac） 将 .java 文件编译为 .class 文件（字节码）。
3. 类加载：JVM 通过类加载子系统加载 .class 文件到内存。
   1. 加载：采用双亲委派机制，分层级加载字节码。
   2. 链接
      1. 验证：检查字节码合法性（如魔数 0xCAFEBABE）。
      2. 准备：为静态变量分配内存并赋默认值（如 static int a 初始化为 0）。
      3. 解析：将符号引用（如类名、方法名）转为直接引用（内存地址）。
   3. 初始化：执行静态代码块（static{}）和静态变量赋值（如 static int a = 1;）。
4. 存储运行时数据区：加载后的类信息存储到内存区域。
   • 方法区：存储类结构（如 HelloWorld 的类名、方法定义、常量池）。
   • 堆：存放对象实例（如 String 对象）。
   • 虚拟机栈：线程私有，存储 main() 方法的栈帧（局部变量、操作数栈等）。
   • 程序计数器：记录当前线程执行的字节码指令地址。
5. 执行阶段
   • 解释执行：逐行解释字节码指令（如 invokestatic 调用 System.out.println）。启动快，执行效率低。
   • 本地方法调用（JNI）：若调用 native 方法（如 Object.clone()），通过 JNI 执行本地库（C/C++）代码。
   • JIT 编译优化（可选）：将热点代码（频繁执行的方法）编译为本地机器码。相关优化技术：方法内联、逃逸分析等。
6. 垃圾回收：JVM 管理内存，并回收不再使用的对象。
7. 程序结束：main 方法结束，退出程序。

JVM 能跨平台工作，主要是由于 JVM 屏蔽了与各个计算机平台相关的软件、硬件之间的差异。

JVM 简介

计算机体系结构

真实的计算机体系结构的核心部分包含：

• 指令集
• 计算单元（CPU）
• 寻址方式
• 寄存器
• 存储单元

JVM 体系结构简介

JVM 体系结构与计算机体系结构相似，它的核心部分包含：

• JVM 指令集
• 类加载器
• 执行引擎 - 相当于 JVM 的 CPU
• 内存区 - JVM 的存储
• 本地方法调用 - 调用 C/C++ 实现的本地方法

JVM 命令行工具

Java 程序员免不了故障排查工作，所以经常需要使用一些 JVM 工具。

JDK 自带了一些实用的命令行工具来监控、分析 JVM 信息，掌握它们，非常有助于 TroubleShooting。

以下是较常用的 JDK 命令行工具：

名称	描述
jps	虚拟机进程状况工具。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	JVM 堆内存分析工具。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	JVM 栈查看工具。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	JVM 信息查看工具。用于实时查看和调整 JVM 进程参数。
jcmd	JVM 命令行调试 工具。用于向 JVM 进程发送调试命令。

故障定位思路

Java 应用出现线上故障，如何进行诊断？

我们在定位线上问题时要有一个整体的思路，顺藤摸瓜，才能较快的找到问题原因。

一般来说，服务器故障诊断的整体思路如下：

应用故障诊断思路：

运行时数据区域

JVM 在执行 Java 程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域都有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。如下图所示：

类加载机制

类是在运行期间动态加载的。

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。类的加载的最终产品是位于堆区中的Class对象，Class对象封装了类在方法区内的数据结构，并且向 Java 程序员提供了访问方法区内的数据结构的接口。

类加载器并不需要等到某个类被“首次主动使用”时再加载它，JVM 规范允许类加载器在预料某个类将要被使用时就预先加载它，如果在预先加载的过程中遇到了.class 文件缺失或存在错误，类加载器必须在程序首次主动使用该类时才报告错误（LinkageError 错误）如果这个类一直没有被程序主动使用，那么类加载器就不会报告错误。

程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈这三个区域属于线程私有的，只存在于线程的生命周期内，线程结束之后也会消失，因此不需要对这三个区域进行垃圾回收。垃圾回收主要是针对 Java 堆和方法区进行。

对象是否回收

引用计数算法

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。