1. JVM 垃圾回收机制和常见算法
理论上来讲 Sun 公司只定义了垃圾回收机制规则而不局限于其实现算法，因此不同厂商生产的虚拟机采用的算法也不尽相同。
GC（Garbage Collector）在回收对象前首先必须发现那些无用的对象，如何去发现定位这些无用的对象？常用的搜索算法如下：
- 引用计数器算法（废弃）
引用计数器算法是给每个对象设置一个计数器，当有地方引用这个对象的时候，计数器+1，当引用失效的时候，计数器-1，当计数器为 0 的时候，JVM 就认为对象不再被使用，是“垃圾”了。
引用计数器实现简单，效率高；但是不能解决循环引用问问题（A 对象引用 B 对象，B 对象又引用 A 对象，但是A,B 对象已不被任何其他对象引用），同时每次计数器的增加和减少都带来了很多额外的开销，所以在 JDK1.1 之后，这个算法已经不再使用了。 -
根搜索算法（使用）
根搜索算法是通过一些“GC Roots”对象作为起点，从这些节点开始往下搜索，搜索通过的路径成为引用链
（Reference Chain），当一个对象没有被 GC Roots 的引用链连接的时候，说明这个对象是不可用的。
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GC Roots 对象包括：
a) 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中的引用的对象。
b) 方法区域中的类静态属性引用的对象。
c) 方法区域中常量引用的对象。
d) 本地方法栈中 JNI（Native 方法）的引用的对象。
通过上面的算法搜索到无用对象之后，就是回收过程，回收算法如下：
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标记—清除算法（Mark-Sweep）（DVM 使用的算法）
标记—清除算法包括两个阶段：“标记”和“清除”。在标记阶段，确定所有要回收的对象，并做标记。清除阶段
紧随标记阶段，将标记阶段确定不可用的对象清除。标记—清除算法是基础的收集算法，标记和清除阶段的效率不高，而且清除后回产生大量的不连续空间，这样当程序需要分配大内存对象时，可能无法找到足够的连续空间。
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复制算法（Copying）
复制算法是把内存分成大小相等的两块，每次使用其中一块，当垃圾回收的时候，把存活的对象复制到另一块上，然后把这块内存整个清理掉。复制算法实现简单，运行效率高，但是由于每次只能使用其中的一半，造成内存的利用率不高。现在的 JVM 用复制方法收集新生代，由于新生代中大部分对象（98%）都是朝生夕死的，所以两块内存的比例不是 1:1(大概是 8:1)。
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标记—整理算法（Mark-Compact）
标记—整理算法和标记—清除算法一样，但是标记—整理算法不是把存活对象复制到另一块内存，而是把存活对象往内存的一端移动，然后直接回收边界以外的内存。标记—整理算法提高了内存的利用率，并且它适合在收集对象存活时间较长的老年代。
image.png 分代收集（Generational Collection）
分代收集是根据对象的存活时间把内存分为新生代和老年代，根据各个代对象的存活特点，每个代采用不同的垃圾回收算法。新生代采用复制算法，老年代采用标记—整理算法。垃圾算法的实现涉及大量的程序细节，而且不同的虚拟机平台实现的方法也各不相同。
2. 谈谈 JVM 的内存结构和内存分配
- Java 内存模型
Java 虚拟机将其管辖的内存大致分三个逻辑部分：方法区(Method Area)、Java 栈和 Java 堆。
- 方法区是静态分配的，编译器将变量绑定在某个存储位置上，而且这些绑定不会在运行时改变。
常数池，源代码中的命名常量、String 常量和 static 变量保存在方法区。 - Java Stack 是一个逻辑概念，特点是后进先出。一个栈的空间可能是连续的，也可能是不连续的。
最典型的 Stack 应用是方法的调用，Java 虚拟机每调用一次方法就创建一个方法帧（frame），退出该
方法则对应的 方法帧被弹出(pop)。栈中存储的数据也是运行时确定的。 - Java 堆分配(heap allocation)意味着以随意的顺序，在运行时进行存储空间分配和收回的内存管理模型。
堆中存储的数据常常是大小、数量和生命期在编译时无法确定的。Java 对象的内存总是在 heap 中分配。
我们每天都在写代码，每天都在使用 JVM 的内存。
- java 内存分配
1、基础数据类型直接在栈空间分配;
2、方法的形式参数，直接在栈空间分配，当方法调用完成后从栈空间回收;
3、引用数据类型，需要用 new 来创建，既在栈空间分配一个地址空间，又在堆空间分配对象的类变量;
4、方法的引用参数，在栈空间分配一个地址空间，并指向堆空间的对象区，当方法调用完后从栈空间回收;
5、局部变量 new 出来时，在栈空间和堆空间中分配空间，当局部变量生命周期结束后，栈空间立刻被回收，堆空间区域等待 GC 回收;
6、方法调用时传入的实际参数，先在栈空间分配，在方法调用完成后从栈空间释放;
7、字符串常量在 DATA 区域分配 ，this 在堆空间分配;
8、数组既在栈空间分配数组名称， 又在堆空间分配数组实际的大小！
3. Java 中引用类型都有哪些？（重要）
Java 中对象的引用分为四种级别，这四种级别由高到低依次为：强引用、软引用、弱引用和虚引用。
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强引用（StrongReference）
这个就不多说，我们写代码天天在用的就是强引用。如果一个对象被人拥有强引用，那么垃圾回收器绝不会回收它。当内存空间不足，Java 虚拟机宁愿抛出 OutOfMemoryError 错误，使程序异常终止，也不会靠随意回收具有强引用的对象来解决内存不足问题。
Java 的对象是位于 heap 中的，heap 中对象有强可及对象、软可及对象、弱可及对象、虚可及对象和不可到
达对象。应用的强弱顺序是强、软、弱、和虚。对于对象是属于哪种可及的对象，由他的最强的引用决定。如下代码：
1. String abc=new String("abc"); //1
2. SoftReference<String> softRef=new SoftReference<String>(abc); //2
3. WeakReference<String> weakRef = new WeakReference<String>(abc); //3
4. abc=null; //4
5. softRef.clear();//5
第一行在 heap 堆中创建内容为“abc”的对象，并建立 abc 到该对象的强引用，该对象是强可及的。
第二行和第三行分别建立对 heap 中对象的软引用和弱引用，此时 heap 中的 abc 对象已经有 3 个引用，显然此时 abc 对象仍是强可及的。
第四行之后 heap 中对象不再是强可及的，变成软可及的。
第五行执行之后变成弱可及的。
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软引用（SoftReference）
如果一个对象只具有软引用，那么如果内存空间足够，垃圾回收器就不会回收它，如果内存空间不足了，就会回收这些对象的内存。只要垃圾回收器没有回收它，该对象就可以被程序使用。软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。
软引用可以和一个引用队列（ReferenceQueue）联合使用，如果软引用所引用的对象被垃圾回收，Java 虚拟机就会把这个软引用加入到与之关联的引用队列中。
软引用是主要用于内存敏感的高速缓存。在 jvm 报告内存不足之前会清除所有的软引用，这样以来 gc 就有
可能收集软可及的对象，可能解决内存吃紧问题，避免内存溢出。什么时候会被收集取决于 gc 的算法和 gc 运行时可用内存的大小。当 gc 决定要收集软引用时执行以下过程,以上面的 softRef 为例：
- 首先将 softRef 的 referent（abc）设置为 null，不再引用 heap 中的 new String("abc")对象。
- 将 heap 中的 new String("abc")对象设置为可结束的(finalizable)。
- 当 heap 中的 new String("abc")对象的 finalize()方法被运行而且该对象占用的内存被释放， softRef被添加到它的 ReferenceQueue(如果有的话)中。
注意:对 ReferenceQueue 软引用和弱引用可以有可无，但是虚引用必须有。
被 Soft Reference 指到的对象，即使没有任何 Direct Reference，也不会被清除。一直要到 JVM 内存
不足且没有 Direct Reference 时才会清除，SoftReference 是用来设计 object-cache 之用的。如此一来
SoftReference 不但可以把对象 cache 起来，也不会造成内存不足的错误 （OutOfMemoryError）。
弱引用（WeakReference）
如果一个对象只具有弱引用，那该类就是可有可无的对象，因为只要该对象被 gc 扫描到了随时都会把它干
掉。弱引用与软引用的区别在于：只具有弱引用的对象拥有更短暂的生命周期。在垃圾回收器线程扫描它所管辖的内存区域的过程中，一旦发现了只具有弱引用的对象，不管当前内存空间足够与否，都会回收它的内存。不过，由于垃圾回收器是一个优先级很低的线程， 因此不一定会很快发现那些只具有弱引用的对象。
弱引用可以和一个引用队列（ReferenceQueue）联合使用，如果弱引用所引用的对象被垃圾回收，Java 虚
拟机就会把这个弱引用加入到与之关联的引用队列中。虚引用（PhantomReference）
"虚引用"顾名思义，就是形同虚设，与其他几种引用都不同，虚引用并不会决定对象的生命周期。如果一个对
象仅持有虚引用，那么它就和没有任何引用一样，在任何时候都可能被垃圾回收。虚引用主要用来跟踪对象被垃圾回收的活动。
虚引用与软引用和弱引用的一个区别在于：虚引用必须和引用队列（ReferenceQueue）联合使用。当垃圾回
收器准备回收一个对象时，如果发现它还有虚引用，就会在回收对象的内存之前，把这个虚引用加入到与之关联的引用队列中。程序可以通过判断引用队列中是否已经加入了虚引用，来了解被引用的对象是否将要被垃圾回收。程序如果发现某个虚引用已经被加入到引用队列，那么就可以在所引用的对象的内存被回收之前采取必要的行动。
建立虚引用之后通过 get 方法返回结果始终为 null,通过源代码你会发现,虚引用通常会把引用的对象写进referent,只是 get 方法返回结果为 null。先看一下和 gc 交互的过程再说一下他的作用。
- 不把 referent 设置为 null, 直接把 heap 中的 new String("abc")对象设置为可结束的(finalizable)。
- 与软引用和弱引用不同, 先把 PhantomRefrence 对象添加到它的 ReferenceQueue 中.然后在释放虚可及的对象。
4. heap 和 stack 有什么区别?
从以下几个方面阐述堆（heap）和栈（stack）的区别。
- 申请方式
stack:由系统自动分配。例如，声明在函数中一个局部变量 int b; 系统自动在栈中为 b 开辟空间
heap:需要程序员自己申请，并指明大小，在 c 中 malloc 函数，对于 Java 需要手动 new Object()的形式开辟 - 申请后系统的响应
stack：只要栈的剩余空间大于所申请空间，系统将为程序提供内存，否则将报异常提示栈溢出。
heap：首先应该知道操作系统有一个记录空闲内存地址的链表，当系统收到程序的申请时，会遍历该链表，寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点，然后将该结点从空闲结点链表中删除，并将该结点的空间分配给程序。另外，由于找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小，系统会自动的将多余的那部分重新放入空闲链表中。 - 申请大小的限制
stack：栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存的区域。这句话的意思是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的，在 WINDOWS 下，栈的大小是 2M（也有的说是 1M，总之是一个编译时就确定的常数），如果申请的空间超过栈的剩余空间时，将提示 overflow。因此，能从栈获得的空间较小。
heap：堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的，自然是不连续的，而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见，堆获得的空间比较灵活，也比较大。 - 申请效率的比较：
stack：由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制的。
heap：由 new 分配的内存，一般速度比较慢，而且容易产生内存碎片,不过用起来最方便。 - heap 和 stack 中的存储内容
stack： 在函数调用时，第一个进栈的是主函数中后的下一条指令（函数调用语句的下一条可执行语句）的地址，然后是函数的各个参数，在大多数的 C 编译器中，参数是由右往左入栈的，然后是函数中的局部变量。注意静态变量是不入栈的。当本次函数调用结束后，局部变量先出栈，然后是参数，最后栈顶指针指向最开始存的地址，也就是主函数中的下一条指令，程序由该点继续运行。
heap：一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容有程序员安排。 - 数据结构层面的区别
还有就是数据结构方面的堆和栈，这些都是不同的概念。这里的堆实际上指的就是（满足堆性质的）优先队列的一种数据结构，第 1 个元素有最高的优先权；栈实际上就是满足先进后出的性质的数学或数据结构。
虽然堆栈，堆栈的说法是连起来叫，但是他们还是有很大区别的，连着叫只是由于历史的原因。 - 拓展知识（Java 中堆栈的应用）
1). 栈(stack)与堆(heap)都是 Java 用来在 Ram 中存放数据的地方。与 C++不同，Java 自动管理栈和堆，程序员不能直接地设置栈或堆。
2). 栈的优势是，存取速度比堆要快，仅次于直接位于 CPU 中的寄存器。但缺点是，存在栈中的数据大小与生存期必须是确定的，缺乏灵活性。另外，栈数据可以共享，详见第 3 点。堆的优势是可以动态地分配内存大小，生存期也不必事先告诉编译器，Java 的垃圾回收器会自动收走这些不再使用的数据。但缺点是，由于要在运行时动态分配内存，存取速度较慢。
3). Java 中的数据类型有两种。
一种是基本类型(primitive types), 共有 8 种，即 int, short, long, byte, float, double, boolean, char(注
意，并没有 string 的基本类型)。这种类型的定义是通过诸如 int a = 3; long b = 255L;的形式来定义的，称为自动变量（自动变量：只在定义它们的时候才创建，在定义它们的函数返回时系统回收变量所占存储空间。对这些变量存储空间的分配和回收是由系统自动完成的。）。值得注意的是，自动变量存的是字面值，不是类的实例，即不是类的引用，这里并没有类的存在。如 int a = 3; 这里的 a 是一个指向 int 类型的引用，指向 3 这个字面值。这些字面值的数据，由于大小可知，生存期可知(这些字面值固定定义在某个程序块里面，程序块退出后，字段值就消失了)，出于追求速度的原因，就存在于栈中。
另外，栈有一个很重要的特殊性，就是存在栈中的数据可以共享。假设我们同时定义
int a = 3;
int b = 3；
编译器先处理 int a = 3；首先它会在栈中创建一个变量为 a 的引用，然后查找有没有字面值为 3 的地址，没
找到，就开辟一个存放 3 这个字面值的地址，然后将 a 指向 3 的地址。接着处理 int b = 3；在创建完 b 的引用变量后，由于在栈中已经有 3 这个字面值，便将 b 直接指向 3 的地址。这样，就出现了 a 与 b 同时均指向 3 的情况。
特别注意的是，这种字面值的引用与类对象的引用不同。假定两个类对象的引用同时指向一个对象，如果一
个对象引用变量修改了这个对象的内部状态，那么另一个对象引用变量也即刻反映出这个变化。相反，通过字面值的引用来修改其值，不会导致另一个指向此字面值的引用的值也跟着改变的情况。如上例，我们定义完 a 与 b 的值后，再令 a=4；那么，b 不会等于 4，还是等于 3。在编译器内部，遇到 a=4；时，它就会重新搜索栈中是否有 4 的字面值，如果没有，重新开辟地址存放 4 的值；如果已经有了，则直接将 a 指向这个地址。因此 a 值的改变不会影响到 b的值。
另一种是包装类数据，如 Integer, String, Double 等将相应的基本数据类型包装起来的类。这些类数据全部
存在于堆中，Java 用 new()语句来显示地告诉编译器，在运行时才根据需要动态创建，因此比较灵活，但缺点是要占用更多的时间。
4). 每个 JVM 的线程都有自己的私有的栈空间，随线程创建而创建，java 的 stack 存放的是 frames，java 的 stack和 c 的不同，只是存放本地变量，返回值和调用方法，不允许直接 push 和 pop frames ，因为 frames 可能是由 heap分配的，所以java的stack分配的内存不需要是连续的。java的heap是所有线程共享的，堆存放所有 runtime data ，里面是所有的对象实例和数组，heap 是 JVM 启动时创建。
5). String 是一个特殊的包装类数据。即可以用 String str = new String("abc");的形式来创建，也可以用
String str = "abc"；的形式来创建(作为对比，在 JDK 5.0 之前，你从未见过 Integer i = 3;的表达式，因为类与字面值是不能通用的，除了 String。而在 JDK 5.0 中，这种表达式是可以的！因为编译器在后台进行 Integer i = new Integer(3)的转换)。前者是规范的类的创建过程，即在 Java 中，一切都是对象，而对象是类的实例，全部通过 new()的形式来创建。那为什么在 String str = "abc"；中，并没有通过 new()来创建实例，是不是违反了上述原则？其实没有。
5.1). 关于 String str = "abc"的内部工作。Java 内部将此语句转化为以下几个步骤：
(1)先定义一个名为 str 的对 String 类的对象引用变量：String str；
(2)在栈中查找有没有存放值为"abc"的地址，如果没有，则开辟一个存放字面值为"abc"的地址，接着创建一
个新的 String 类的对象 o，并将 o 的字符串值指向这个地址，而且在栈中这个地址旁边记下这个引用的对象 o。如果已经有了值为"abc"的地址，则查找对象 o，并返回 o 的地址。
(3)将 str 指向对象 o 的地址。
值得注意的是，一般 String 类中字符串值都是直接存值的。但像 String str = "abc"；这种场合下，其字符串
值却是保存了一个指向存在栈中数据的引用！
为了更好地说明这个问题，我们可以通过以下的几个代码进行验证。
String str1 = "abc";
String str2 = "abc";
System.out.println(str1==str2); //true
注意，我们这里并不用 str1.equals(str2)；的方式，因为这将比较两个字符串的值是否相等。==号，根据 JDK的说明，只有在两个引用都指向了同一个对象时才返回真值。而我们在这里要看的是，str1 与 str2 是否都指向了同一个对象。
结果说明，JVM 创建了两个引用 str1 和 str2，但只创建了一个对象，而且两个引用都指向了这个对象。
我们再来更进一步，将以上代码改成：
String str1 = "abc";
String str2 = "abc";
str1 = "bcd";
System.out.println(str1 + "," + str2); //bcd, abc
System.out.println(str1==str2); //false
这就是说，赋值的变化导致了类对象引用的变化，str1 指向了另外一个新对象！而 str2 仍旧指向原来的对象。上例中，当我们将 str1 的值改为"bcd"时，JVM 发现在栈中没有存放该值的地址，便开辟了这个地址，并创建了一个新的对象，其字符串的值指向这个地址。
事实上，String 类被设计成为不可改变(immutable)的类。如果你要改变其值，可以，但 JVM 在运行时根据
新值悄悄创建了一个新对象，然后将这个对象的地址返回给原来类的引用。这个创建过程虽说是完全自动进行的，但它毕竟占用了更多的时间。在对时间要求比较敏感的环境中，会带有一定的不良影响。
再修改原来代码：
String str1 = "abc";
String str2 = "abc";
str1 = "bcd";
String str3 = str1;
System.out.println(str3); //bcd
String str4 = "bcd";
System.out.println(str1 == str4); //true
str3 这个对象的引用直接指向 str1 所指向的对象(注意，str3 并没有创建新对象)。当 str1 改完其值后，再创
建一个 String 的引用 str4，并指向因 str1 修改值而创建的新的对象。可以发现，这回 str4 也没有创建新的对象，从而再次实现栈中数据的共享。
我们再接着看以下的代码。
String str1 = new String("abc");
String str2 = "abc";
System.out.println(str1==str2); //false
创建了两个引用。创建了两个对象。两个引用分别指向不同的两个对象。
以上两段代码说明，只要是用 new()来新建对象的，都会在堆中创建，而且其字符串是单独存值的，即使与栈中的数据相同，也不会与栈中的数据共享。
6). 数据类型包装类的值不可修改。不仅仅是 String 类的值不可修改，所有的数据类型包装类都不能更改其
内部的值。
7). 结论与建议：
(1)我们在使用诸如 String str = "abc"；的格式定义类时，总是想当然地认为，我们创建了 String 类的对象
str。担心陷阱！对象可能并没有被创建！唯一可以肯定的是，指向 String 类的引用被创建了。至于这个引用到底是否指向了一个新的对象，必须根据上下文来考虑，除非你通过 new()方法来显要地创建一个新的对象。因此，更为准确的说法是，我们创建了一个指向 String 类的对象的引用变量 str，这个对象引用变量指向了某个值为"abc"的 String 类。清醒地认识到这一点对排除程序中难以发现的 bug 是很有帮助的。
(2)使用 String str = "abc"；的方式，可以在一定程度上提高程序的运行速度，因为 JVM 会自动根据栈中数
据的实际情况来决定是否有必要创建新对象。而对于 String str = new String("abc")；的代码，则一概在堆中创建新对象，而不管其字符串值是否相等，是否有必要创建新对象，从而加重了程序的负担。这个思想应该是享元模式的思想，但 JDK 的内部在这里实现是否应用了这个模式，不得而知。
(3)当比较包装类里面的数值是否相等时，用 equals()方法；当测试两个包装类的引用是否指向同一个对象时，用==。
(4)由于 String 类的 immutable 性质，当 String 变量需要经常变换其值时，应该考虑使用 StringBuffer 类，以提高程序效率。如果 java 不能成功分配 heap 的空间，将抛出 OutOfMemoryError。
5. 解释内存中的栈 (stack) 、堆 (heap) 和方法区 (method area) 的用法
通常我们定义一个基本数据类型的变量，一个对象的引用，还有就是函数调用的现场保存都使用 JVM 中的栈空间；而通过 new 关键字和构造器创建的对象则放在堆空间，堆是垃圾收集器管理的主要区域，由于现在的垃圾收集器都采用分代收集算法，所以堆空间还可以细分为新生代和老生代，再具体一点可以分为 Eden、Survivor（又可分为From Survivor 和 To Survivor）、Tenured；方法区和堆都是各个线程共享的内存区域，用于存储已经被 JVM 加载的类信息、常量、静态变量、JIT 编译器编译后的代码等数据；程序中的字面量（literal）如直接书写的 100、"hello"和常量都是放在常量池中，常量池是方法区的一部分。栈空间操作起来最快但是栈很小，通常大量的对象都是放在堆空间，栈和堆的大小都可以通过 JVM 的启动参数来进行调整，栈空间用光了会引发 StackOverflowError，而堆和常量池空间不足则会引发 OutOfMemoryError。
String str = new String("hello");
上面的语句中变量 str 放在栈上，用 new 创建出来的字符串对象放在堆上，而"hello"这个字面量是放在方法区
的。
