一、內存管理
1、運行時的內存區域
線程私有：虛擬機棧、本地方法棧、程序計數器
線程共享：堆、方法區
2、各個內存區域可能拋出的異常
棧
1、當單線程時，棧的深度太大，會發生StackOverflowError，比如無窮的遞歸調用。
2、當多線程時，若不停地創建線程，則會導致OutOfMemoryError，因為除去堆和方法區之外，剩下的棧總空間是有限的，不停創建線程則會不停申請棧空間，最終會導致內存溢出。
堆
當不停地創建（new）對象時，會導致OutOfMemoryError
方法區
運行時產生大量的類，去填滿方法區，比如用CGLib去無窮生成類。
直接內存
使用Unsafe分配本機內存時，可能導致OutOfMemoryError。
3、各個內存區域容量設置的參數
-Xss2M：設置棧的容量為2M
-Xms10M：設置堆的初始容量為10M
-Xmx10M：設置對的最大容量為10M
-XX:PermSize=10M：設置方法區的初始容量為10M
-XX:MaxPermSize=10M：設置方法區的最大容量為10M
-XX:MaxDirectMemorySize=10M：設置直接內存的最大容量為10M
4、對象的創建
如何在堆中分配內存
根據內存是否規整，即GC收集器是否帶有壓縮整理功能，分為指針碰撞和空閒列表兩種。
如何處理內存分配衝突
1、CAS+失敗重試；2、TLAB，即本地線程分配緩衝。
對象在內存中的佈局
對象頭（哈希碼、GC分代年齡、所狀態標誌等）、實例數據、對象填充
如何訪問對象
1、通過句柄（棧上的指針指向句柄，句柄中分別有指向對象的指針，和指向類信息的指針）
2、直接指針（棧上的指針直接指向堆中的對象，對象中頭部有一個類型指針，指向類型信息）
5、對象存活判定
即如何判斷一個對象所佔用的內存是否該回收？
有兩種方法：1、引用計數法；2、可達性分析法。
引用計數法
該方法容易出現循環引用的問題，JVM並未採用。
可達性分析法
判斷是否能從GCRoots中找到一條到達該對象的路徑。
GCRoots包括：棧中變量引用的對象、方法區中靜態屬性（static）引用的對象、方法區中常量（final）引用的對象。
6、垃圾回收
引用的種類
1、強引用：通常new出來的對象的引用都是強引用。
2、軟引用（SoftReference）：如果某次回收完之後，還是可能發生內存溢出，則進行第二次回收，在第二次回收時會回收軟引用，若這次回收後仍是內存不夠，這時候才發生內存溢出。
3、弱引用（WeakReference）：其指向的對象只能生存到下一次垃圾收集之前，無論當前內存是否足夠，都會回收弱引用指向的對象。
4、虛引用（PhantomReference）：設置虛引用的目的可能是為了，在該對象被回收前能夠得到一個系統通知。
finalize方法
若某類覆蓋了該方法，則其對象再被回收前會調用此方法（僅限於第一次回收該對象時）。
方法區的回收
廢棄的常量：當前系統中沒有一個對象引用此常量。
無用的類：堆中不存在該類的任何實例，該類的類加載器已被回收，該類的Class對象沒有在任何位置被引用。
垃圾收集算法
1、JVM整體上是採用“分代收集算法”。
根據對象的存活週期的不同將Java堆分為新生代和老年代。
新生代又分為Eden區，Survivor From區，Survivor To區，其大小比例默認為8:1:1。
Java的方法區被定義為永久代
2、對於新生代，一般採用“複製算法”。因為新生代的存活時間相對較短，複製的時候不會複製太多對象，所以整體效率不至於太低。
當從Eden和Survivor From區向Survivor To區複製時，若Suvivor To區的空間不夠，則需要依賴老年代進行“分配擔保”。
3、對於老年代，一般採用“標記-清除”（容易產生內存碎片）或“標記-整理”算法。因為老年代的對象存活率較高，若仍是採用複製操作，則需要複製的對象太多，效率會很低。
4、Stop The World
在判斷對象是否應該被回收時，是通過GCRoots來判斷的。
當枚舉GCRoots時，不可以出現在分析過程中，對象的引用關係還在不斷髮生變化，所以這時候必須停頓所有線程，這種現象稱為“Stop The World”。
5、安全點和安全區域
安全區域是指：在這段代碼片段內，引用關係不會發生變化。
6、內存分配和回收策略
對象優先在Eden區分配，若內存不夠則進行一次Minor GC，將Eden區的活躍對象複製到Survivor To區。
若Survivor To區大小足夠，則將其中的存活對象的GC年齡加1，並判斷是否應該晉升到老年代區。
若Survivor To區大小不夠，則進行分配擔保，將對象複製到老年代。
若此時老年代內存大小不夠，則進行一次Full GC。
垃圾收集器
Serial：新生代收集器，單線程收集器，採用複製算法。
ParNew：新生代收集器，多線程收集器，採用複製算法。
Parallel Scavenge：新生代收集器，多線程收集器，側重於提高程序運行的吞吐量。
Serial Old：老年代收集器，單線程收集器，採用標記-整理算法。
Parallel Old：老年代收集器，多線程收集器，採用標記-整理算法。
由於多線程的老年代收集器可以充分利用服務器多CPU的處理能力，所以常用Parallel Scavenge/Parallel Old組合，亦提高了吞吐量。
CMS（Concurrent Mark Sweep）
老年代收集器
初始標記-->併發標記-->重新標記-->併發清除
G1收集器
初始標記-->併發標記-->最終標記-->篩選回收
二、執行子系統
（一）、類文件結構
1、平臺無關性和語言無關性
平臺無關性：通過Java虛擬機，Java代碼可以運行在不同的操作系統上。
語言無關性：不同的語言通過編譯成字節碼，均可以運行在JVM上。
2、Class文件結構
（1）、 兩種數據類型：無符號數，表。
（2）、魔數：“CAFEBABE”
（3）、次版本號，主版本號
（4）、常量池：常量個數，常量項（類型tag+內容）。包括字面量和符號引用。
（5）、訪問標誌：是否 public，final，super，interface，abstract，synthetic，annotation，enum
（6）、類索引，父類索引，接口索引
（7）、字段表
（8）、方法表
（9）、屬性表
3、字節碼指令
（1）、字節碼中的數據類型：byte、short、int、long、float、double、char、reference
（2）、加載和存儲指令：將數據加載到操作數棧，將數據存儲到局部變量表
（3）、運算指令：加減乘除、取餘、取反、位移、位運算（與、或、異或）、局部變量自增、比較
（4）、類型轉換
（5）、對象創建和訪問
（6）、操作數棧相關指令
（7）、控制轉移指令：條件分支等
（8）、方法調用和返回：
invokevirtual（實例方法）
invokeinterface（接口方法）
invokespecial（構造方法，私有方法，父類方法）
invokestatic（靜態方法）
（9）、同步指令：monitorenter、monitorexit。通過管程實現，用於支持synchronized關鍵字。
（二）、類加載機制
1、類在什麼時候會加載
（1）、new（使用new實例化對象的時候），getstatic（讀取一個類的靜態字段，不包括final的），putstatic（設置一個類的靜態字段，不包括final的），invokestatic（調用一個類的靜態方法時）。
（2）、通過java.lang.reflect包的方法，對類進行反射調用的時候，若類未初始化，則會對其進行初始化。
（3）、當初始化一個類時，若其父類還未初始化，則先初始化其父類。
（4）、虛擬機啟動時，會先初始化包含main方法的那個類，即主類。
（5）、被動引用不會導致類加載，比如：通過子類引用父類的靜態字段，不會導致子類初始化；定義某類的數組，則該類不會初始化；引用某類的靜態常量，則該類不會初始化。
2、類加載的過程
（1）、加載
通過類的全限定類名獲取二進制流；將字節流轉換為方法區內的運行時數據結構；在內存中生成一個代表該類的Class對象，作為方法區裡這個類的各種訪問數據的入口。
（2）、驗證
校驗Class文件中的信息是否複合JVM的要求。
文件格式驗證（基於二進制字節流，校驗主次版本號是否支持等）；
元數據驗證（是否繼承的final類，是否實現了接口的所有方法等）；
字節碼驗證（通過數據流和控制流分析，驗證程序語義，比如只能父類引用指向子類對象，子類引用不能指向父類對象）；
符號引用驗證（當JVM將符號引用轉換為直接引用時，會檢查是否能根據名稱找到相應的類，方法，字段等）；
驗證階段其實不是必須的，如果該字節碼被反覆驗證過，其實可以關閉驗證。
（3）、準備
為靜態變量設置初始值（int為0，reference為null等）；
為常量設置初始值。
（4）、解析
將常量池裡的符號引用解析為直接引用（即指向內存中某個區域的指針）。
解析的符號引用有：類或接口、字段、方法、接口方法等。
（5）、初始化
若父類沒有加載，則先加載父類；
然後為靜態變量設置初始值，執行靜態代碼塊等；
3、類加載器
（1）、每個類，都要由“加載它的類加載器”和“這個類本身”一塊確定該類在虛擬機裡的唯一性。
（2）、類加載器種類
啟動類加載器：加載<JAVA_HOME>/lib目錄中的類；
擴展類加載器：加載<JAVA_HOME>/lib/ext目錄中的類；
應用程序類加載器：加載CLASSPATH中的類，如果應用程序沒有自定義過自己的類加載器，這個便是程序中默認的類加載器。
（3）、雙親委派模型
當一個類加載器加載類的時候，首先不會親自加載這個類，而是會把這個請求委派給父加載器去加載，如此遞歸下去，所有的請求最終會傳到頂層的引啟動類加載器。只有當父加載器無法加載該類時，才會讓子類去嘗試加載。
這樣做可以保證，同一個類在虛擬機中不會被不同的類加載器加載很多次。
（三）、字節碼執行引擎
1、運行時棧幀結構
程序執行時，內存中的棧，裡面是一個一個的棧幀。每一個方法的調用及其執行，都對應著一個棧幀。
2、方法調用
（1）、方法調用指令
invokestatic：調用靜態方法
invokespecial：調用實例構造器、私有方法、父類方法
invokesvirtual：調用所有的虛方法（非static非final方法）
invokeinterface：調用接口方法
（2）、分派
靜態分派：對應於方法參數上的重載。編譯器在重載時，是通過參數的靜態類型，而不是實際類型作為判斷依據的。
動態分派：對應於多態。當invokespecial指令執行時，第一步就是在運行期確定接受者的實際類型。
三、代碼優化
編譯期優化
（1）、編譯過程
詞法分析，語法分析-->
填充符號表-->
處理註解-->
語義分析（標註檢查、數據及控制流分析、解語法糖）-->
字節碼生成。
（2）、Java的語法糖
泛型與類型擦除
自動裝箱、拆箱
foreach循環
變長參數
注意：1、JVM在字節碼裡，用Signature屬性存儲了方法在字節碼層面的方法簽名，通過這項元數據，可以通過反射獲取類的泛型信息。2、包裝類的“==”運算，在不遇到算數運算時不會自動拆箱，這時候比較的是引用是否相等。
運行期優化
（1）JIT編譯器（Just In Time）
Java程序最初是通過解釋執行的，當虛擬機發現“某個方法或某段代碼塊
”運行特別頻繁時，會把這些代碼認定為“熱點代碼（Hot Spot Code）”。為了提高熱點代碼的執行效率，在運行時，會把這些代碼編譯為與本地平臺相關的機器碼，並進行各種優化。完成這個任務的編譯器叫做即時編譯器。
（2）、解釋器與編譯器並存
1、編譯對象
被多次調用的方法：將整個方法作為編譯對象。
被多次執行的循環體：依然將整個方法作為編譯對象，進行棧上替換（On Stack Replacement），即替換棧幀。
2、熱點探測的方式
基於採樣：週期性的檢查棧頂，若某方法經常出現在棧頂，則其是熱點方法。
基於計數器：統計方法執行次數，到了一定的閾值，則其是熱點方法。
3、兩種計數器
JVM的熱點探測是基於計數器的，有兩種計數器：方法調用計數器和回邊計數器。
方法調用計數器：即統計方法執行次數。
回邊計數器：循環體中代碼執行的次數。“回邊”，即在字節碼中遇到控制流向後跳轉的指令。
4、編譯優化技術
公共子表達式消除、數組邊界檢查消除、方法內聯、逃逸分析等。
四、併發
1、JVM內存模型和線程
（1）、JVM內存模型
1、JVM內存模型主要是定義程序中變量的訪問規則，即在虛擬機中將變量存儲到內存，和從內存中取出變量這樣的細節。這些變量指的是實例字段、靜態字段等，不包括局部變量（因為局部變量是線程私有的，不被共享，不存在競爭問題）。
2、工作內存中保存了該線程使用到的變量的在主存中的拷貝。線程對變量的所有操作（讀取，賦值）都必須在工作內存中進行，不能直接讀寫主存中的變量。
3、Java內存模型中的工作內存只是個抽象概念，並不真實存在，它涵蓋了緩存、寫緩衝區、寄存器以及其它的硬件和編譯器優化。
4、內存間的交互操作
lock、unlock
read、load、use、assign、store、write
5、volatile變量
6、原子性、可見性、有序性
7、happens-before原則
（2）、線程
1、線程的實現方式
三種方式：1：1、1：N、N：M。
Java是通過將線程映射到操作系統的線程上去實現的。
2、線程的調度方式
兩種方式：協同式線程調度、搶佔式線程調度。
Java中使用的是搶佔式線程調度。
3、線程的狀態轉換
1、線程安全和鎖優化
線程安全
（1）、共享數據的種類：
1、不可變：不可變對象是值“對象中帶有狀態的變量都聲明為final”。
2、絕對線程安全
3、相對線程安全：Vector、Hashtable等
4、線程兼容：ArrayList、HashMap
5、線程對立
（2）、線程安全的實現方法
1、互斥同步（Mutual Exclution & Synchronization）
同步是指在多個線程併發訪問共享數據時，保證共享數據在同一時刻只被一個（一些）線程使用。
互斥是實現同步的一種手段，臨界區、互斥量、信號量都是互斥的實現方式。
互斥是因，同步是果；互斥是方法，同步是目的。
互斥同步又稱為“阻塞同步”，屬於一種悲觀的併發策略。
2、非阻塞同步
非阻塞同步是一種基於“衝突檢測”的樂觀併發策略；
即先進行操作，如果“沒有其它線程爭用共享數據”，那操作就成功了。如果共享數據有爭用，產生了衝突，那就再採取其它的補償措施（比如不斷重試，直到成功為止）。
因為這種策略不需要將線程掛起，所以成為非阻塞同步。
“操作和衝突檢測”這兩個步驟，需要具備原子性，這可以通過硬件的CAS來實現。
CAS指令需要三個操作數：內存位置，舊的預期值，新值。當且僅當“內存位置的值”符合“舊的預期值”時，處理器用“新值”更新“內存位置的值”，否則就不更新。最終無論是否更新，均會返回“舊值”。
3、不須同步
可重入代碼：不依賴堆上的數據和共用的系統資源，用到的狀態量都由參數中傳入，不調用非可重入的方法。如果一個方法，它的返回結果可預測，相同的輸入，均能返回相同的輸出，它便是可重入的。
線程本地存儲：即ThreadLocal，以當前線程哈希碼為鍵，某變量位置的一個鍵值對。
鎖優化
1、自旋鎖
因為當線程阻塞，或從阻塞中恢復時，掛起線程和恢復線程的操作都需要轉入到內核態去完成，這給系統的性能帶來了很大壓力。
如果某個鎖被佔用的時間很短，這時候可以讓“後面那個請求鎖的線程”稍微等一下，不放棄CPU的執行時間，執行一個忙循環，直到獲得鎖。
2、鎖消除
將一些代碼上進行了同步，但實際不會存在共享數據競爭的鎖進行消除。
3、鎖粗化
如果對一個對象反覆加鎖和解鎖，甚至這個對象在循環體內，則可以把鎖加到循環體外，這樣可以消除反覆加解鎖所帶來的損耗。
4、輕量級鎖
5、偏向鎖
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