Java虚拟机面试题（二）

1．为什么 Java 8 移除了永久代（PermGen）并引入了元空间（Metaspace）？

永久代存在内存限制：永久代大小固定（通过 -XX:MaxPermSize 配置），难以动态调整，易因类信息过多导致 PermGen OOM。
元空间使用本地内存：元空间默认大小仅受操作系统内存限制，可动态扩展，减少内存溢出风险。
简化类加载器管理：元空间与类加载器生命周期绑定，类加载器回收时，其加载的类信息随元空间一起释放，降低内存泄漏概率。
适配 JVM 模块化发展：为 Java 9 模块化系统（如 Jigsaw）铺路，更灵活地支持类数据的动态加载与卸载。

2．为什么 Java 新生代被划分为 S0、S1 和 Eden 区？

基于标记 - 复制算法优化：新生代采用标记 - 复制算法，Eden 区用于新对象分配，S0 和 S1（Survivor 区）用于存活对象复制，避免内存碎片。
减少存活对象复制开销：大多数新对象在 Eden 区创建后很快被回收，仅少数存活对象复制到 Survivor 区，降低复制成本。
控制对象晋升老年代的频率：对象在 S0 和 S1 之间多次复制（默认 15 次，由 -XX:MaxTenuringThreshold 控制）后进入老年代，避免短期存活对象占用老年代空间。
提升 GC 效率：分区域后，Minor GC 仅扫描 Eden 和一个 Survivor 区，缩小扫描范围，缩短 STW 时间。

3．什么是三色标记算法？

定义：是垃圾收集器（如 CMS、G1）用于并发标记阶段的对象标记算法，通过三色标记区分对象的可达性状态。
三色划分：
白色：未被标记的对象（默认状态，可能为垃圾）。
灰色：自身已被标记，但引用的子对象未完全标记的对象。
黑色：自身及引用的子对象均已标记完成的对象（存活对象）。
核心流程：
初始标记：标记 GC Roots 直接关联的对象为灰色，触发短暂 STW。
并发标记：遍历灰色对象，标记其子对象为灰色，自身转为黑色，与用户线程并行执行。
最终标记：修正并发标记期间因用户线程操作导致的标记偏差（如漏标），触发短暂 STW。
解决的问题：允许标记过程与用户线程并发执行，减少 STW 时间，但需处理 “漏标” 问题（通过增量更新或原始快照机制）。

4．Java 中的 young GC、old GC、full GC 和 mixed GC 的区别是什么？

young GC（Minor GC）：仅回收新生代（Eden + Survivor）的垃圾，触发频繁，STW 时间短。
old GC（Major GC）：仅回收老年代的垃圾，多为 CMS 收集器的并发标记清除阶段，STW 时间较长（但比 Full GC 短）。
full GC：回收整个堆内存（新生代 + 老年代 + 方法区），STW 时间最长，可能伴随内存碎片整理。
mixed GC：仅 G1 收集器支持，同时回收新生代和部分老年代（垃圾比例高的 Region），平衡回收效率和 STW 时间。

5．什么条件会触发 Java 的 young GC？

主要触发条件：Eden 区内存不足，无法为新对象分配内存时，触发 young GC 回收 Eden 区垃圾，将存活对象复制到 Survivor 区。
其他因素：
大对象直接进入老年代，若 Eden 区剩余空间不足，可能提前触发 young GC。
Survivor 区空间不足，存活对象需晋升老年代时，可能伴随 young GC。

6．什么情况下会触发 Java 的 Full GC？

老年代内存不足：老年代无法为晋升的对象（如 Survivor 区溢出的对象、大对象）分配内存时。
方法区（元空间）内存不足：加载的类信息、常量等超过元空间限制时（JDK 8 前为永久代）。
显式调用 System.gc()：虽为建议性调用，但多数 JVM 会触发 Full GC（可通过 -XX:+DisableExplicitGC 禁用）。
CMS 收集器出现 Concurrent Mode Failure：并发回收老年代时，内存不足导致回收失败，触发 Full GC。
G1 收集器的混合回收无法满足暂停目标：当老年代占用率超过阈值（默认 45%），可能触发 Full GC。

7．什么是 Java 的 PLAB？

定义：PLAB（Promotion Local Allocation Buffer，晋升本地分配缓冲区）是 G1 收集器中，每个 GC 线程在老年代分配的私有缓冲区，用于存储从新生代晋升的对象。
作用：减少多线程晋升对象时的锁竞争，提升晋升效率（类似 TLAB 对新生代分配的优化）。
工作原理：GC 线程晋升对象时，优先使用自己的 PLAB 空间，不足时从老年代公共区域分配，避免频繁加锁。

8．JVM 垃圾回收时产生的 concurrent mode failure 的原因是什么？

定义：是 CMS 收集器在并发标记或并发清除阶段，老年代内存不足导致的失败。
具体原因：
并发回收期间，用户线程持续创建对象，老年代剩余空间不足以容纳新对象或晋升对象。
晋升担保失败：新生代 GC 时， Survivor 区溢出的对象需晋升老年代，但老年代剩余空间不足。
后果：触发 Full GC（通常由 Serial Old 收集器执行），导致长时间 STW。

9．为什么 Java 中 CMS 垃圾收集器在发生 Concurrent Mode Failure 时的 Full GC 是单线程的？

设计妥协：CMS 主要优化并发回收效率，未对 Full GC 路径做多线程优化，默认使用 Serial Old 收集器执行 Full GC（单线程，标记 - 整理算法）。
避免复杂度：Full GC 需整理老年代内存（解决碎片），多线程整理需处理对象移动的同步问题，实现复杂。
历史原因：早期 JVM 中，Serial Old 是老年代最稳定的单线程收集器，作为 CMS 失败后的备用方案，确保回收可行性。

10．为什么 Java 中某些新生代和老年代的垃圾收集器不能组合使用？比如 ParNew 和 Parallel Old

设计目标冲突：ParNew 是为配合 CMS 设计的多线程新生代收集器（侧重响应时间），而 Parallel Old 是侧重吞吐量的老年代收集器，二者优化目标不一致。
实现机制不兼容：不同收集器对内存布局、对象标记、晋升机制的实现不同（如记忆集维护方式、GC 日志格式），难以协同工作。
官方适配限制：JVM 仅支持特定组合（如 ParNew + CMS、Parallel Scavenge + Parallel Old、G1 单收集器全区域回收），确保稳定性和性能。

11．JVM 新生代垃圾回收如何避免全堆扫描？

基于分代假设：新生代对象存活周期短，仅需扫描新生代（Eden + Survivor），无需扫描老年代。
记忆集（Remembered Set）：维护老年代对新生代对象的引用，新生代 GC 时仅需扫描记忆集中的引用，避免全堆扫描老年代。
卡表（Card Table）：作为记忆集的实现，将老年代划分为大小固定的卡页，当老年代对象引用新生代对象时，标记对应卡页为 “脏页”，GC 时仅扫描脏页中的引用。

12．Java 的 CMS 垃圾回收器和 G1 垃圾收集器在记忆集的维护上有什么不同？

CMS 的记忆集：
作用：记录老年代对新生代的引用，避免 Minor GC 扫描全老年代。
实现：采用卡表（Card Table），每个卡页对应老年代的一块内存（通常 512B），引用新生代对象时标记为脏页。
维护：通过写屏障（Write Barrier）监控老年代对象的引用更新，及时标记脏页。
G1 的记忆集：
作用：记录不同 Region 之间的引用（如老年代 Region 对新生代 Region、大对象 Region 的引用）。
实现：每个 Region 对应一个记忆集，存储引用当前 Region 的其他 Region 卡页信息。
维护：通过写屏障和快照日志（SATB）记录引用变化，支持并发标记时的引用跟踪。

13．为什么 G1 垃圾收集器不维护年轻代到老年代的记忆集？

年轻代对象存活周期短：年轻代对象很快被回收，其对老年代的引用生命周期短，维护此类记忆集性价比低。
混合回收机制：G1 采用混合回收（同时回收新生代和部分老年代），老年代 Region 会被定期扫描，无需单独维护年轻代到老年代的引用记录。
减少内存开销：记忆集本身占用额外内存，省略年轻代到老年代的记忆集，可降低内存消耗，简化实现。

14．Java 中的 CMS 和 G1 垃圾收集器如何维持并发的正确性？

CMS 的并发正确性保障：
初始标记和重新标记阶段 STW，确保 GC Roots 标记准确。
并发标记阶段使用 “增量更新” 机制：当对象引用发生变化（如删除旧引用、添加新引用），通过写屏障记录变化，重新标记阶段修正这些引用。
G1 的并发正确性保障：
初始标记和最终标记阶段 STW，确保标记基础正确。
并发标记阶段使用 “原始快照（SATB）” 机制：记录并发标记开始时的对象引用快照，即使引用后续变化，仍以快照为准，避免漏标，最终标记阶段修正偏差。

15．Java G1 相对于 CMS 有哪些进步的地方？

无内存碎片：G1 采用标记 - 复制算法整理存活对象，老年代无碎片；CMS 用标记 - 清除算法，易产生碎片。
可预测的 STW 时间：G1 支持设置最大暂停目标（-XX:MaxGCPauseMillis），优先回收垃圾多的 Region，控制 STW 时间；CMS 无法精确控制。
全区域回收能力：G1 可同时回收新生代和老年代，无需配合其他收集器；CMS 仅回收老年代，需与 ParNew 配合。
内存利用率更高：G1 动态调整新生代和老年代比例，适应不同应用场景；CMS 内存布局固定，灵活性差。
更适合大堆内存：G1 对大堆（如 4GB 以上）的管理效率优于 CMS，支持 TB 级内存。

16．什么是 Java 中的 logging write barrier？

定义：是 G1 和 ZGC 等收集器用于并发标记的写屏障机制，用于记录对象引用的变化日志。
作用：在并发标记阶段，当用户线程修改对象引用（如 a.b = c）时，写屏障将旧引用（a.b 原来的值）记录到日志中，确保标记过程不遗漏对象。
与 SATB 配合：G1 的 logging write barrier 是原始快照（SATB）机制的核心，通过记录引用变化，最终标记阶段可根据日志修正标记结果，保障并发正确性。

17．Java 的 G1 垃圾回收流程是怎样的？

初始标记（Initial Mark）：
STW 阶段，标记 GC Roots 直接关联的对象（如虚拟机栈中的引用），标记完成后立即恢复用户线程。
并发标记（Concurrent Mark）：
与用户线程并行，从初始标记的对象出发，遍历所有可达对象并标记，同时通过 SATB 机制记录引用变化。
最终标记（Final Mark）：
短暂 STW 阶段，处理并发标记期间积累的引用变化日志，修正标记结果，确保无漏标。
筛选回收（Live Data Counting and Evacuation）：
STW 阶段，计算每个 Region 的垃圾比例，按优先级排序，回收垃圾比例高的 Region（新生代优先，老年代按需混合回收），将存活对象复制到新 Region，实现内存整理。

18．Java 的 CMS 垃圾回收流程是怎样的？

初始标记（Initial Mark）：
STW 阶段，标记 GC Roots 直接关联的老年代对象，速度快（仅标记直接引用）。
并发标记（Concurrent Mark）：
与用户线程并行，从初始标记的对象出发，遍历老年代所有可达对象并标记。
重新标记（Remark）：
短暂 STW 阶段，修正并发标记期间因用户线程操作导致的标记偏差（如新增引用、删除引用），使用增量更新机制处理。
并发清除（Concurrent Sweep）：
与用户线程并行，回收所有未标记的垃圾对象（老年代），不整理内存，可能产生碎片。

19．你了解 Java 的 ZGC（Z Garbage Collector）吗？

定位：JDK 11 引入的低延迟垃圾收集器，支持 TB 级堆内存，STW 时间控制在毫秒级甚至微秒级。
核心技术：
着色指针（Colored Pointers）：利用指针未使用的位存储对象标记信息（如存活、回收中），无需额外内存存储标记数据。
读屏障（Load Barrier）：当用户线程读取对象引用时，检查指针颜色，处理并发移动对象的一致性问题。
回收流程：
并发标记：遍历对象图标记存活对象，无 STW。
并发预备重定位：选择待回收的 Region，准备移动对象。
并发重定位：移动存活对象到新 Region，通过读屏障确保用户线程访问正确地址。
并发清理：回收空 Region，供新对象分配。
适用场景：对延迟要求极高的应用（如金融交易、实时数据分析），大内存环境。

20．JVM 垃圾回收调优的主要目标是什么？

减少 STW 时间：确保 GC 暂停时间不超过应用可接受的阈值（如 Web 应用通常要求 < 100ms），避免影响用户体验。
降低 GC 频率：减少 GC 对 CPU 和内存资源的占用，提升应用吞吐量（用户线程执行时间占比）。
避免内存溢出（OOM）：合理配置堆内存大小、代际比例、元空间大小，确保应用稳定运行。
平衡资源占用：在内存、CPU 资源有限的情况下，优化 GC 参数，使 GC 开销（如 CPU 使用率）控制在合理范围。
适配应用场景：根据应用类型（如吞吐量优先的后台任务、延迟优先的交互应用）调整 GC 收集器和参数，最大化性能。