本文归于合集：吊打面试官系列

面试题概览：

• 简单解释下Java中的垃圾回收机制，以及为什么Java需要垃圾回收机制？
• 能说说看Java垃圾回收都有哪些算法吗，这些算法有什么优缺点，以及使用场景是什么？
• Java的垃圾回收是如何判断对象是否存活的？
• 说说看Java的垃圾回收机制的具体过程？
• 堆内存的大小会如何影响垃圾回收呢？
• 能说说看如何设置合适的垃圾回收器参数吗，最好举一个具体的场景？
• 什么是GC停顿，它是怎么发生的，该怎么解决？
  

  面试官：简单解释下Java中的垃圾回收机制，以及为什么Java需要垃圾回收机制？

在Java中，垃圾回收机制中的“垃圾”指的是在运行程序中没有任何引用指向的对象，即这些对象已经不再被程序使用，其占用的内存空间可以被回收以供其他对象使用。

具体来说，当一个对象在程序中失去了所有的引用，它就被视为垃圾对象。这些垃圾对象所占用的内存空间如果不及时被回收，就会导致内存泄漏和内存溢出等问题。为了避免这些问题，Java虚拟机（JVM）提供了垃圾回收机制，该机制可以自动地回收这些不再被使用的对象所占用的内存空间。

垃圾回收机制的实现依赖于特定的垃圾回收算法和垃圾回收器。常见的垃圾回收算法包括标记-清除算法、复制算法、标记-压缩算法等，而常见的垃圾回收器则包括Serial GC、Parallel GC、CMS GC、G1 GC等。

Java语言需要进行垃圾回收的原因主要有以下几点：

1. 自动内存管理：
   Java语言的一大特点是其自动内存管理机制。这意味着开发者不需要手动分配和释放内存，从而减少了内存泄漏和内存溢出的风险。

   如果没有垃圾回收机制，开发者需要手动管理内存，包括分配、使用和释放内存。这不仅增加了开发工作的复杂性，还容易引入内存管理错误。

2. 避免内存泄漏：
   内存泄漏是指程序在动态分配内存后，由于某种原因未能及时释放已不再使用的内存，导致系统内存的浪费，严重时甚至会导致系统运行缓慢乃至崩溃。Java的垃圾回收机制通过定期扫描内存中的对象，并回收不再被使用的对象所占用的内存空间，从而避免了内存泄漏的问题。
3. 优化内存使用：
   垃圾回收机制不仅回收不再被使用的对象所占用的内存空间，还可以对内存进行整理和优化。例如，通过压缩存活对象到内存的一端来消除内存碎片，从而提高内存的利用率和程序的性能。

综上，Java语言进行垃圾回收是为了实现自动内存管理、提高开发效率、避免内存泄漏、优化内存使用。

面试官：能说说看Java垃圾回收都有哪些算法吗，这些算法有什么优缺点，以及使用场景是什么？

Java垃圾回收涉及到多种算法，每种算法都有其特定的应用场景和优缺点。以下是对这些算法及其具体内容的详细介绍：

一、标记-清除（Mark-and-Sweep）算法

• 定义：标记-清除算法是最基本的垃圾回收算法，它分为标记阶段和清除阶段。

• 标记阶段：垃圾回收器会遍历所有对象，并标记存活的对象。这通常是通过可达性分析算法来实现的，即从GC Roots出发，搜索所有可达的对象，并标记它们。

• 清除阶段：垃圾回收器会遍历堆中的对象，清除所有未被标记的对象，并释放其内存。这样，就完成了对垃圾对象的回收。

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• 缺点：标记-清除算法会产生大量不连续的内存碎片，这些碎片可能导致空间浪费。

  而且标记清除算法的效率不算高，在进行 GC 的时候，需要停止整个应用程序。

• 二、复制（Copying）算法

• 定义：复制算法将内存空间划分为两个相等的区域，每次只使用其中一个区域。当垃圾回收时，它将活动的对象复制到另一个区域，并清除当前区域的所有对象。

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• 优点：复制算法解决了标记-清除算法中的内存碎片问题。由于每次只使用一半的内存空间进行对象的分配和回收，因此可以保证内存的连续性。

• 缺点：复制算法需要两倍的内存空间。此外，对于G1这种分拆成为大量region的GC来说，复制而不是移动意味着GC需要维护region之间对象引用关系，这也会增加内存占用和时间开销。

• 应用场景：复制算法通常用于新生代对象的回收。因为新生代对象生命周期短、存活率低、回收频繁，所以使用复制算法可以高效地回收内存。

• 三、标记-压缩（Mark-Compact）算法

• 定义：标记-压缩算法结合了标记-清除算法和复制算法的优点。它在标记阶段和清除阶段之后，还会将存活的对象压缩到内存的一端，并直接清除边界以外的内存。

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• 优点：标记-压缩算法避免了内存碎片的问题，同时也不需要额外的内存空间。它通过将存活对象压缩到内存的一端来消除碎片，从而提高了内存的利用率。

• 缺点：标记-压缩算法的压缩过程需要额外的时间开销。此外，在移动对象的过程中，如果对象被其他对象引用，则还需要调整引用的地址。

• 应用场景：标记-压缩算法通常用于老年代对象的回收。因为老年代对象生命周期长、存活率高、回收不频繁，所以使用标记-压缩算法可以更有效地利用内存空间。

• 四、分代收集（Generational Collection）算法

• 定义：分代收集算法是一种基于对象存活周期的垃圾回收算法。它将内存分为新生代和老生代两个区域，并根据不同代的特点采用不同的回收策略。

• 新生代回收策略：新生代通常包含大量新创建的对象，这些对象生命周期短、存活率低、回收频繁。因此，新生代采用复制算法进行垃圾回收。

• 老年代回收策略：老生代包含长时间存活的对象，这些对象生命周期长、存活率高、回收不频繁。因此，老年代采用标记-压缩算法或标记-清除算法进行垃圾回收。

• 优点：分代收集算法通过区分不同代的对象并采用不同的回收策略，提高了垃圾回收的效率。

• 五、其他算法

除了上述算法外，Java垃圾回收还涉及到一些其他算法，如分区（Region）算法、引用计数（Reference Counting）算法和自适应混合回收（Adaptive Hybrid）算法等。然而，这些算法在Java的垃圾回收机制中并不常用或已经被淘汰。其中，引用计数算法由于无法处理循环引用的问题，在Java的垃圾回收器中没有使用。

面试官：Java的垃圾回收是如何判断对象是否存活的呢？

Java虚拟机（JVM）采用可达性分析算法（Reachability Analysis）来判断对象是否存活。

以下是对这一机制的详细解释：

可达性分析算法

该算法以一组称为“GC Roots”的对象为起点，这些对象被认为是根对象（root objects），不会被回收。GC Roots通常包括：

• 虚拟机栈（栈帧中的局部变量表）中引用的对象。
• 方法区中的静态属性引用的对象。
• 方法区中常量引用的对象。
• 本地方法栈中JNI（即一般所说的Native方法）引用的对象。
• 被同步锁（synchronized）持有的对象。

从GC Roots出发，通过直接或间接的引用链，如果能够到达某个对象，则该对象被认为是存活的。反之，如果无法从GC Roots通过引用链到达某个对象，则该对象被认为是不可达的，即可以回收的。

引用类型与可达性状态

在Java中，对象的引用类型也会影响其可达性状态。具体来说，有以下几种引用类型和可达性状态：

1. 强引用（Strong References）：

• 如果一个对象通过强引用可达，则该对象不会被垃圾回收。
• 例如，常规变量引用就是强引用。

34. 软引用（Soft References）：

    • 用于描述一些还有用但并非必须的对象。
    • 只有在JVM内存不足时，才会回收软引用对象。
    • 这通常用于实现缓存。

35. 弱引用（Weak References）：

    • 用于描述非必须的对象，并且生命周期较短。
    • 弱引用对象在下一次垃圾回收时，无论内存是否充足，都会被回收。
    • 常用于实现键容易被垃圾回收的映射，例如WeakHashMap。

36. 虚引用（Phantom References）：

    • 用于跟踪对象被垃圾回收器回收的状态。
    • 虚引用对象在任何时候都可能被回收，并且需要配合ReferenceQueue使用。
    • 主要用于在对象被垃圾回收时执行清理操作。

此外，对象的可达性状态还可以进一步细分为以下几种：

• 强可达（Strongly Reachable）：对象通过强引用链可达。
• 软可达（Softly Reachable）：对象通过软引用链可达，但没有强引用链可达。
• 弱可达（Weakly Reachable）：对象通过弱引用链可达，但没有软引用链和强引用链可达。
• 虚可达（Phantom Reachable）：对象已经被垃圾回收器标记为不可达，但还没有被回收。

• finalize()方法的影响

对象可能会重写finalize()方法。当对象第一次被垃圾回收器标记为不可达时，GC会检查该对象是否有finalize()方法。如果有且尚未执行过，则GC会将该对象放入一个队列等待执行finalize()方法，暂时不会回收该对象。执行finalize()后，对象可能重新变为可达状态（例如，在finalize()方法中重新将自身赋值给某个静态变量），这种情况下，GC会重新对其进行可达性分析。

然而，需要注意的是，finalize()方法并不保证会被及时执行，而且频繁使用finalize()方法可能会影响GC的性能。因此，在现代Java开发中，通常不推荐使用finalize()方法。

面试官：不错，那能说说看Java垃圾回收的过程吗？

在介绍Java垃圾回收的过程之前，需要先介绍下垃圾回收的区域。

一、垃圾回收的区域

JVM在运行Java程序时，会将内存划分为不同的区域，这些区域包括方法区、堆、栈（虚拟机栈）、本地方法栈和程序计数器等。其中需要进行垃圾回收的区域是包括如下区域：

1. 堆：是垃圾回收的主要区域。几乎所有的对象实例都在堆中分配内存。堆内存的管理是自动的，由JVM的垃圾回收器负责回收不再被使用的对象所占用的内存。堆内存通常分为新生代和老年代，新生代用于存放新创建的对象，老年代则用于存放经过多次垃圾回收后仍然存活的对象。
2. 方法区：也被称为永久代（Perm Gen）或元空间（Metaspace），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。虽然方法区中的数据在程序运行期间变化不大，但仍然存在需要垃圾回收的情况，例如废弃的常量和不再被使用的类。

新生代（Young Generation）

新生代是JVM中用于存放新创建的对象的内存区域。它通常被划分为以下几个部分：

1. Eden区：新创建的对象首先被分配到Eden区。当Eden区满时，会触发Minor GC（小型垃圾回收），将存活的对象转移到Survivor区。
2. Survivor区：Survivor区通常有两个，分别被称为From区和To区（或S0和S1区）。在Minor GC过程中，存活的对象会从Eden区被复制到其中一个Survivor区。随着对象的存活时间增长，它们可能会被再次复制到另一个Survivor区，或者晋升到老年代。

新生代的空间相对较小，用于快速回收大量短命对象。这种设计可以提高垃圾回收的效率，因为大多数对象都是短命的。

老年代（Old Generation）

老年代是JVM中用于存放长时间存活的对象的内存区域。当对象在新生代中经过多次Minor GC仍然存活时，它们会被晋升到老年代。老年代的空间较大，用于存放存活时间较长的对象。

当老年代空间满时，会触发Major GC（大型垃圾回收）或Full GC（全局垃圾回收），这会涉及到整个堆内存的垃圾回收操作。

永久代（Permanent Generation）与元空间（Metaspace）

1. 永久代：

• 永久代是HotSpot JVM中的一个特殊的内存区域，用于存储类的元数据（如类的信息、常量池、方法数据等）。
• 在Java 8之前的版本中，永久代是JVM内存结构的一部分，它的大小在启动JVM时通过参数（如-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize）设置，不能动态扩展。
• 由于永久代使用堆内存的一部分，因此它的大小受堆内存大小的限制。当永久代空间不足时，可能会抛出java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space错误。

61. 元空间：
    • 从Java 8开始，永久代被元空间所取代。元空间并不在Java堆内存中，而是使用本地内存。
    • 元空间的大小可以根据需要动态调整，不再受到永久代大小的限制。它使用-XX:MetaspaceSize和-XX:MaxMetaspaceSize参数来配置初始大小和最大大小。
    • 元空间的管理更加灵活和高效，减少了内存溢出和垃圾收集的压力。通过这种改进，元空间提高了Java应用程序的性能和稳定性。

以下是Java垃圾回收的具体过程。

二、垃圾回收的具体流程

Java垃圾回收的具体流程通常包括以下几个步骤：

1. 对象分配：

• 当一个对象被创建时，它首先被分配到新生代的Eden区。
• 如果Eden区没有足够的空间，JVM会触发一次Minor GC（新生代垃圾回收）。

69. Minor GC：

    • 当Eden区满时，JVM会执行Minor GC来回收不再被使用的对象。
    • 存活的对象会被复制到其中一个Survivor区（S0或S1），同时清空Eden区和另一个Survivor区。
    • 这个过程会不断重复，直到Survivor区也满或对象达到一定的年龄阈值（默认是15，可以通过-XX:MaxTenuringThreshold来设置），此时对象会被移动到老年代。

70. Major GC/Full GC：

    • 当老年代也满时，JVM会执行Major GC或Full GC来回收整个堆内存中的不再被使用的对象。
    • 这通常是一个比Minor GC更耗时、更复杂的过程，因为它需要扫描和回收整个堆内存。
    • 如果Major GC后还是无法保存新创建的对象，就会产生OutOfMemoryException（OOM）。

    • 面试官：堆内存的大小会如何影响垃圾回收？

1. 堆内存大小对垃圾回收频率的影响

• 较小的堆内存：当堆内存较小时，对象很快会填满堆空间，导致频繁的垃圾回收。频繁的垃圾回收会增加程序的暂停时间（GC停顿），降低程序的响应性和吞吐量。
• 较大的堆内存：较大的堆内存可以减少垃圾回收的频率，因为对象在堆中有更多的空间可以存放，不易填满堆空间。然而，当发生垃圾回收时，需要扫描和清理的内存空间也会更大，可能会增加每次垃圾回收的耗时。
  

  2. 堆内存大小对垃圾回收器选择的影响

不同的垃圾回收器对堆内存的管理方式和性能要求不同。例如：

• Serial GC：适用于单处理器或数据量较小的应用，堆内存较小时表现良好。
• Parallel GC：适用于多处理器环境，能够利用多线程进行垃圾回收，适合较大的堆内存。
• CMS GC：以获取最短回收停顿时间为目标的收集器，适用于对响应时间有高要求的应用，但可能需要较大的堆内存来减少垃圾回收的频率。
• G1 GC：面向服务器的垃圾收集器，能够处理大内存堆，并平衡垃圾回收的停顿时间和吞吐量。

因此，在选择垃圾回收器时，需要考虑堆内存的大小以及应用程序的性能要求。

3. 堆内存大小对内存碎片的影响

当对象被创建和销毁时，会在堆内存中产生内存碎片。内存碎片会增加垃圾回收器的工作量，并可能导致内存分配失败。较大的堆内存可能会加剧内存碎片问题，因为对象在堆中有更多的空间可以移动和压缩。因此，在配置堆内存大小时，需要权衡内存碎片的风险和垃圾回收的性能。

4. 堆内存大小的配置和调整

JVM提供了多种参数来配置堆内存的大小，如-Xms（设置JVM初始堆内存大小）、-Xmx（设置JVM最大堆内存大小）等。开发者可以根据应用程序的需求和性能要求来配置这些参数。同时，通过监控程序的运行状况，可以动态地调整堆内存的大小以优化性能。

面试官：说起配置和调参，能说说看如何设置合适的垃圾回收器参数吗，最好举一个具体的场景？

设置合适的垃圾回收器参数是一个复杂的过程，需要结合应用程序的实际情况进行调整。

以下是一些设置垃圾回收器参数的指导原则：

一、了解垃圾回收器类型

首先，需要了解Java虚拟机（JVM）提供的各种垃圾回收器类型及其特点，包括：

• Serial GC：适用于单处理器或数据量较小的应用，使用单线程进行垃圾回收。
• Parallel GC：适用于多处理器环境，使用多线程进行垃圾回收，以提高吞吐量。
• CMS（Concurrent Mark Sweep）GC：以获取最短回收停顿时间为目标的收集器，适用于对响应时间有高要求的应用。
• G1（Garbage-First）GC：面向服务器的垃圾收集器，可预测的停顿时间模型让它（在不需要牺牲吞吐量和内存利用率的前提）能够满足大部分服务端应用的需求。

• 二、确定应用程序需求

根据应用程序的需求，确定对垃圾回收器的性能要求，包括：

• 吞吐量：垃圾回收时间与非垃圾回收时间的比值。
• 暂停时间：垃圾回收过程中应用程序线程的暂停时间。
• 内存占用：垃圾回收器所需的额外内存空间。

• 三、设置关键参数

根据应用程序的需求和垃圾回收器的特点，设置以下关键参数：

• 堆内存大小：使用-Xms和-Xmx参数设置Java堆的初始大小和最大大小。
• 新生代与老年代比例：使用-XX:NewRatio参数设置新生代和老年代的比例，或使用-XX:MaxNewSize参数设置新生代的最大大小。
• 垃圾回收器类型：使用相应的参数启用所需的垃圾回收器，如-XX:+UseSerialGC、-XX:+UseParallelGC、-XX:+UseConcMarkSweepGC、-XX:+UseG1GC等。
• 并行垃圾回收线程数：对于Parallel GC和G1 GC，可以使用-XX:ParallelGCThreads参数设置并行垃圾回收的线程数。
• 最大垃圾回收暂停时间：对于CMS GC和G1 GC，可以使用-XX:MaxGCPauseMillis参数设置垃圾回收的最大停顿时间目标（但不保证达到）。
• 吞吐量设置：使用-XX:GCTimeRatio参数设置垃圾回收时间与应用时间的目标比率。

下面给出一个具体的垃圾回收调参的例子，以帮助理解如何设置合适的垃圾回收器参数。

四、场景描述

假设我们有一个Java应用程序，它运行在一个具有8个CPU核心的服务器上，拥有足够的物理内存。该应用程序需要处理大量的数据，并且要求较高的吞吐量和较低的停顿时间。

垃圾回收器选择

根据应用程序的需求，我们选择G1垃圾收集器。G1收集器旨在提供低延迟的同时兼顾高吞吐量，它采用分代收集的思想，将整个堆内存划分为多个大小相等的独立区域（Region），并优先收集垃圾最多的区域。

参数设置

1.最大堆大小（-Xmx）和初始堆大小（-Xms）

为了避免在运行时动态调整堆大小带来的性能开销，我们将最大堆大小和初始堆大小设置为相同的值。例如，设置为4G（根据服务器的物理内存和应用程序的需求进行调整）：

-Xmx4g -Xms4g

2.年轻代大小（-Xmn）

在G1收集器中，年轻代和老年代的大小是动态的，G1会根据设置的目标停顿时间自动调整。因此，通常不需要显式设置年轻代大小。但是，如果希望对年轻代进行更细致的控制，可以使用该参数。不过在这个例子中，我们让G1自动管理。

3.G1区域大小（Region Size）

G1 Region的大小可以是1M、2M、4M、8M、16M、32M。在实际调优中，建议从小到大依次尝试设置并观察G1GC的效果。例如，我们可以从8M开始尝试：

-XX:G1HeapRegionSize=8m

4.并发垃圾收集线程数（-XX:ConcGCThreads）

设置并发垃圾收集线程数。通常设置为CPU核心数的一部分，以平衡垃圾收集和应用程序的性能。在这个例子中，我们设置为4（即CPU核心数的一半）：

-XX:ConcGCThreads=4

5.目标停顿时间（-XX:MaxGCPauseMillis）

设置垃圾回收的最大停顿时间。这是一个期望值，G1会尽力满足这个设置。例如，设置为200毫秒：

-XX:MaxGCPauseMillis=200

6.启动G1堆空间占用比例（-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent）

设置堆空间占用多少比例时开始G1回收。例如，设置为45%（默认值）：

-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45

7. 开启G1垃圾收集器

使用以下参数开启G1垃圾收集器：

-XX:+UseG1GC

完整参数配置示例

将上述参数组合起来，我们得到以下完整的JVM参数配置示例：

java -Xmx4g -Xms4g -XX:+UseG1GC -XX:G1HeapRegionSize=8m -XX:ConcGCThreads=4 -XX:MaxGCPauseMillis=200 -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45

五、逐步调整与记录

在调整垃圾回收器的参数时，应遵循逐步调整的原则。每次只调整一个参数，并观察调整后的性能变化。同时，应记录每次调整的参数、调整后的性能数据以及调优的结论，以便在后续的优化中快速定位问题并参考之前的经验。

面试官：什么是GC停顿，它是怎么发生的，该怎么解决？

GC停顿（Garbage Collection Pause），也被称为STW（Stop The World），是指在Java虚拟机（JVM）进行垃圾回收（Garbage Collection, GC）时，需要暂停所有应用线程以进行内存清理和整理的过程。这个过程会导致应用程序的短暂停顿，从而可能影响其响应性和吞吐量。

GC停顿的发生原因

GC停顿的发生主要有以下几个原因：

1. 内存管理需求：JVM需要回收不再使用的内存空间，以便为新的对象分配内存。在垃圾回收过程中，JVM需要确保没有新的垃圾产生，因此必须暂停所有应用线程。
2. 垃圾回收算法：不同的垃圾回收算法对GC停顿的影响不同。一些算法（如标记-清除、标记-整理）需要在回收过程中扫描整个堆内存，这可能导致较长的停顿时间。
3. 堆内存大小：堆内存的大小也会影响GC停顿的频率和持续时间。较小的堆内存可能导致频繁的垃圾回收和较短的停顿时间，而较大的堆内存可能减少垃圾回收的频率但增加每次回收的停顿时间。
   

   解决GC停顿的方法

针对GC停顿问题，可以采取以下措施来优化垃圾回收性能：

1. 选择合适的垃圾回收器：根据应用程序的需求和性能要求，选择合适的垃圾回收器。例如，对于响应时间敏感的应用，可以选择CMS GC或G1 GC等具有较低停顿时间的垃圾回收器。
2. 调整堆内存大小：合理配置堆内存的大小，以平衡垃圾回收的频率和停顿时间。通过调整-Xms和-Xmx参数来设置JVM的初始堆内存和最大堆内存大小。
3. 优化对象创建和销毁：减少不必要的对象创建和销毁，以降低垃圾回收的压力。例如，可以使用对象池来重用对象，减少对象的创建和销毁次数。
4. 调整垃圾回收器参数：根据应用程序的特点和性能要求，调整垃圾回收器的相关参数。例如，对于G1 GC，可以调整-XX:MaxGCPauseMillis参数来设置期望的最大停顿时间。

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