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  • 第一部分 Java基礎
    第二部分 Java進階

    Java設計模式筆試題(10~13題)

     

     

    10、談談 JVM 的內存結構和內存分配

     

    ● Java內存模型:Java虛擬機將其管轄的內存大致分三個邏輯部分:方法區(Method Area)、Java棧和Java堆。

     

    ● 方法區是靜態分配的,編譯器將變量綁定在某個存儲位置上,而且這些綁定不會在運行時改變。常數池,源代碼中的命名常量、String常量和static變量保存在方法區。

     

    ● Java Stack是一個邏輯概念,特點是后進先出。一個棧的空間可能是連續的,也可能是不連續的。最典型的Stack應用是方法的調用,Java虛擬機每調用一次方法就創建一個方法幀(frame),退出該方法則對應的 方法幀被彈出(pop)。棧中存儲的數據也是運行時確定的。

     

    ● Java堆分配(heap allocation)意味著以隨意的順序,在運行時進行存儲空間分配和收回的內存管理模型。堆中存儲的數據常常是大小、數量和生命期在編譯時無法確定的。Java對象的內存總是在heap中分配。

     

    ● java內存分配

     

    ● 基礎數據類型直接在棧空間分配;

     

    ● 方法的形式參數,直接在棧空間分配,當方法調用完成后從棧空間回收;

     

    ● 引用數據類型,需要用new來創建,既在棧空間分配一個地址空間,又在堆空間分配對象的類變量;

     

    ● 方法的引用參數,在棧空間分配一個地址空間,并指向堆空間的對象區,當方法調用完后從棧空間回收;

     

    ● 局部變量new出來時,在棧空間和堆空間中分配空間,當局部變量生命周期結束后,棧空間立刻被回收,堆空間區域等待GC回收;

     

    ● 方法調用時傳入的實際參數,先在棧空間分配,在方法調用完成后從棧空間釋放;

     

    ● 字符串常量在DATA區域分配,this在堆空間分配;

     

    ● 數組既在棧空間分配數組名稱,又在堆空間分配數組實際的大小!

     

     

    11、Java中引用類型都有哪些?(重要)

     

    ● Java中對象的引用分為四種級別,這四種級別由高到低依次為:強引用、軟引用、弱引用和虛引用。

     

    ● 強引用(StrongReference)

     

    如果一個對象被人擁有強引用,那么垃圾回收器絕不會回收它。當內存空間不足,Java虛擬機寧愿拋出OutOfMemoryError錯誤,使程序異常終止,也不會靠隨意回收具有強引用的對象來解決內存不足問題。Java的對象是位于heap中的,heap中對象有強可及對象、軟可及對象、弱可及對象、虛可及對象和不可到達對象。應用的強弱順序是強、軟、弱、和虛。對于對象是屬于哪種可及的對象,由他的最強的引用決定。如下代碼:

     

    String abc=new String("abc"); //1
    SoftReference<String> softRef=new SoftReference<String>(abc); //2
    WeakReference<String> weakRef = new WeakReference<String>(abc); //3
    abc=null; //4
    softRef.clear();//5

     

    第一行在heap堆中創建內容為“abc”的對象,并建立abc到該對象的強引用,該對象是強可及的。

     

    第二行和第三行分別建立對heap中對象的軟引用和弱引用,此時heap中的abc對象已經有3個引用,顯然此時abc對象仍是強可及的。

     

    第四行之后heap中對象不再是強可及的,變成軟可及的。

     

    第五行執行之后變成弱可及的。

     

     

    ● 軟引用(SoftReference)

     

    如果一個對象只具有軟引用,那么如果內存空間足夠,垃圾回收器就不會回收它,如果內存空間不足了,就會回收這些對象的內存。只要垃圾回收器沒有回收它,該對象就可以被程序使用。軟引用可用來實現內存敏感的高速緩存。軟引用可以和一個引用隊列(ReferenceQueue)聯合使用,如果軟引用所引用的對象被垃圾回收,Java虛擬機就會把這個軟引用加入到與之關聯的引用隊列中。軟引用是主要用于內存敏感的高速緩存。在jvm報告內存不足之前會清除所有的軟引用,這樣以來gc就有可能收集軟可及的對象,可能解決內存吃緊問題,避免內存溢出。什么時候會被收集取決于gc的算法和gc運行時可用內存的大小。當gc決定要收集軟引用時執行以下過程,

     

    以上面的softRef為例:

     

    (1)首先將softRef的referent(abc)設置為null,不再引用heap中的new String("abc")對象。

     

    (2)將heap中的new String("abc")對象設置為可結束的(finalizable)。

     

    (3)當heap中的new String("abc")對象的finalize()方法被運行而且該對象占用的內存被釋放,softRef被添加到它的ReferenceQueue(如果有的話)中。

     

    注意:對ReferenceQueue軟引用和弱引用可以有可無,但是虛引用必須有。

     

    被Soft Reference指到的對象,即使沒有任何Direct Reference,也不會被清除。一直要到JVM內存不足且沒有Direct Reference時才會清除,SoftReference是用來設計object-cache之用的。如此一來SoftReference不但可以把對象cache起來,也不會造成內存不足的錯誤(OutOfMemoryError)。

     

    ● 弱引用(WeakReference)

     

    如果一個對象只具有弱引用,那該類就是可有可無的對象,因為只要該對象被gc掃描到了隨時都會把它干掉。弱引用與軟引用的區別在于:只具有弱引用的對象擁有更短暫的生命周期。在垃圾回收器線程掃描它所管轄的內存區域的過程中,一旦發現了只具有弱引用的對象,不管當前內存空間足夠與否,都會回收它的內存。不過,由于垃圾回收器是一個優先級很低的線程,因此不一定會很快發現那些只具有弱引用的對象。弱引用可以和一個引用隊列(ReferenceQueue)聯合使用,如果弱引用所引用的對象被垃圾回收,Java虛擬機就會把這個弱引用加入到與之關聯的引用隊列中。

     

    ● 虛引用(PhantomReference)

     

    "虛引用"顧名思義,就是形同虛設,與其他幾種引用都不同,虛引用并不會決定對象的生命周期。如果一個對象僅持有虛引用,那么它就和沒有任何引用一樣,在任何時候都可能被垃圾回收。虛引用主要用來跟蹤對象被垃圾回收的活動。虛引用與軟引用和弱引用的一個區別在于:虛引用必須和引用隊列(ReferenceQueue)聯合使用。當垃圾回收器準備回收一個對象時,如果發現它還有虛引用,就會在回收對象的內存之前,把這個虛引用加入到與之關聯的引用隊列中。程序可以通過判斷引用隊列中是否已經加入了虛引用,來了解被引用的對象是否將要被垃圾回收。程序如果發現某個虛引用已經被加入到引用隊列,那么就可以在所引用的對象的內存被回收之前采取必要的行動。建立虛引用之后通過get方法返回結果始終為null,通過源代碼你會發現,虛引用通向會把引用的對象寫進referent,只是get方法返回結果為null。先看一下和gc交互的過程再說一下他的作用。

     

    (1)不把referent設置為null,直接把heap中的new String("abc")對象設置為可結束的(finalizable)。

     

    (2)與軟引用和弱引用不同,先把PhantomRefrence對象添加到它的ReferenceQueue中.然后在釋放虛可及的對象。

     

     

    12、heap和stack有什么區別?

     

    ● 從以下幾個方面闡述堆(heap)和棧(stack)的區別。

     

    ● 申請方式

     

    stack:由系統自動分配。例如,聲明在函數中一個局部變量int b;系統自動在棧中為b開辟空間。

     

    heap:需要程序員自己申請,并指明大小,在c中malloc函數,對于Java需要手動new Object()的形式開辟。

     

    ● 申請后系統的響應

     

    stack:只要棧的剩余空間大于所申請空間,系統將為程序提供內存,否則將報異常提示棧溢出。

     

    heap:首先應該知道操作系統有一個記錄空閑內存地址的鏈表,當系統收到程序的申請時,

     

    會遍歷該鏈表,尋找第一個空間大于所申請空間的堆結點,然后將該結點從空閑結點鏈表中刪除,并將該結點的空間分配給程序。另外,由于找到的堆結點的大小不一定正好等于申請的大小,系統會自動的將多余的那部分重新放入空閑鏈表中。

     

    ● 申請大小的限制

     

    stack:棧是向低地址擴展的數據結構,是一塊連續的內存的區域。這句話的意思是棧頂的地址和棧的最大容量是系統預先規定好的,在WINDOWS下,棧的大小是2M(也有的說是1M,總之是一個編譯時就確定的常數),如果申請的空間超過棧的剩余空間時,將提示overflow。因此,能從棧獲得的空間較小。

     

    heap:堆是向高地址擴展的數據結構,是不連續的內存區域。這是由于系統是用鏈表來存儲的空閑內存地址的,自然是不連續的,而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于計算機系統中有效的虛擬內存。由此可見,堆獲得的空間比較靈活,也比較大。

     

    ● 申請效率的比較:

     

    stack:由系統自動分配,速度較快。但程序員是無法控制的。

     

    heap:由new分配的內存,一般速度比較慢,而且容易產生內存碎片,不過用起來最方便。

     

    ● heap和stack中的存儲內容

     

    stack:在函數調用時,第一個進棧的是主函數中后的下一條指令(函數調用語句的下一條可執行語句)的地址,然后是函數的各個參數,在大多數的C編譯器中,參數是由右往左入棧的,然后是函數中的局部變量。注意靜態變量是不入棧的。

     

    當本次函數調用結束后,局部變量先出棧,然后是參數,最后棧頂指針指向最開始存的地址,也就是主函數中的下一條指令,程序由該點繼續運行。

     

    heap:一般是在堆的頭部用一個字節存放堆的大小。堆中的具體內容有程序員安排。

     

    ● 數據結構層面的區別

     

    數據結構方面的堆和棧,這些都是不同的概念。這里的堆實際上指的就是(滿足堆性質的)優先隊列的一種數據結構,第1個元素有最高的優先權;棧實際上就是滿足先進后出的性質的數學或數據結構。雖然堆棧,堆棧的說法是連起來叫,但是他們還是有很大區別的,連著叫只是由于歷史的原因。

     

    ● 拓展知識(Java中堆棧的應用)

     

    (1)棧(stack)與堆(heap)都是Java用來在Ram中存放數據的地方。與C++不同,Java自動管理棧和堆,程序員不能直接地設置棧或堆。

     

    (2)棧的優勢是,存取速度比堆要快,僅次于直接位于CPU中的寄存器。但缺點是,存在棧中的數據大小與生存期必須是確定的,缺乏靈活性。另外,棧數據可以共享,詳見第3點。堆的優勢是可以動態地分配內存大小,生存期也不必事先告訴編譯器,Java的垃圾回收器會自動收走這些不再使用的數據。但缺點是,由于要在運行時動態分配內存,存取速度較慢。

     

    (3)Java中的數據類型有兩種。

     

    一種是基本類型(primitive types),共有8種,即int,short,long,byte,float,double,boolean,char(注意,并沒有string的基本類型)。這種類型的定義是通過諸如int a=3;long b=255L;的形式來定義的,稱為自動變量(自動變量:只在定義它們的時候才創建,在定義它們的函數返回時系統回收變量所占存儲空間。對這些變量存儲空間的分配和回收是由系統自動完成的。)。值得注意的是,自動變量存的是字面值,不是類的實例,即不是類的引用,這里并沒有類的存在。如int a=3;這里的a是一個指向int類型的引用,指向3這個字面值。這些字面值的數據,由于大小可知,生存期可知(這些字面值固定定義在某個程序塊里面,程序塊退出后,字段值就消失了),出于追求速度的原因,就存在于棧中。另外,棧有一個很重要的特殊性,就是存在棧中的數據可以共享。

     

    假設我們同時定義:

     

    int a=3;
    int b=3;

     

    編譯器先處理int a=3;首先它會在棧中創建一個變量為a的引用,然后查找有沒有字面值為3的地址,沒找到,就開辟一個存放3這個字面值的地址,然后將a指向3的地址。接著處理int b=3;在創建完b的引用變量后,由于在棧中已經有3這個字面值,便將b直接指向3的地址。這樣,就出現了a與b同時均指向3的情況。

     

    特別注意的是,這種字面值的引用與類對象的引用不同。假定兩個類對象的引用同時指向一個對象,如果一個對象引用變量修改了這個對象的內部狀態,那么另一個對象引用變量也即刻反映出這個變化。相反,通過字面值的引用來修改其值,不會導致另一個指向此字面值的引用的值也跟著改變的情況。如上例,我們定義完a與b的值后,再令a=4;那么,b不會等于4,還是等于3。在編譯器內部,遇到a=4;時,它就會重新搜索棧中是否有4的字面值,如果沒有,重新開辟地址存放4的值;如果已經有了,則直接將a指向這個地址。因此a值的改變不會影響到b的值。

     

    另一種是包裝類數據,如Integer,String,Double等將相應的基本數據類型包裝起來的類。這些類數據全部存在于堆中,Java用new()語句來顯示地告訴編譯器,在運行時才根據需要動態創建,因此比較靈活,但缺點是要占用更多的時間。

     

    (4)每個JVM的線程都有自己的私有的棧空間,隨線程創建而創建,java的stack存放的是frames,java的stack和c的不同,只是存放本地變量,返回值和調用方法,不允許直接push和pop frames,因為frames可能是有heap分配的,所以java的stack分配的內存不需要是連續的。java的heap是所有線程共享的,堆存放所有runtime data,里面是所有的對象實例和數組,heap是JVM啟動時創建。

     

    (5)String是一個特殊的包裝類數據。即可以用String str=new String("abc");的形式來創建,也可以用String str="abc";的形式來創建(作為對比,在JDK 5.0之前,你從未見過Integer i=3;的表達式,因為類與字面值是不能通用的,除了String。而在JDK 5.0中,這種表達式是可以的!因為編譯器在后臺進行Integer i=new Integer(3)的轉換)。前者是規范的類的創建過程,即在Java中,一切都是對象,而對象是類的實例,全部通過new()的形式來創建。那為什么在String str="abc";中,并沒有通過new()來創建實例,是不是違反了上述原則?其實沒有。

     

    (5.1)關于String str="abc"的內部工作。Java內部將此語句轉化為以下幾個步驟:

     

    (1)先定義一個名為str的對String類的對象引用變量:String str;

     

    (2)在棧中查找有沒有存放值為"abc"的地址,如果沒有,則開辟一個存放字面值為"abc"的地址,接著創建一個新的String類的對象o,并將o的字符串值指向這個地址,而且在棧中這個地址旁邊記下這個引用的對象o。如果已經有了值為"abc"的地址,則查找對象o,并返回o的地址。

     

    (3)將str指向對象o的地址。值得注意的是,一般String類中字符串值都是直接存值的。但像String str="abc";這種場合下,其字符串值卻是保存了一個指向存在棧中數據的引用!

     

    為了更好地說明這個問題,我們可以通過以下的幾個代碼進行驗證。

     

    String str1 = "abc"; 
    String str2 = "abc";
    System.out.println(str1==str2);    //true

     

    注意,我們這里并不用str1.equals(str2);的方式,因為這將比較兩個字符串的值是否相等。==號,根據JDK的說明,只有在兩個引用都指向了同一個對象時才返回true值。而我們在這里要看的是,str1與str2是否都指向了同一個對象。

     

    結果說明,JVM創建了兩個引用str1和str2,但只創建了一個對象,而且兩個引用都指向了這個對象。我們再來更進一步,將以上代碼改成:

     

    String str1 = "abc"; 
    String str2 = "abc";
    str1 = "bcd";
    System.out.println(str1 + "," + str2); //bcd, abc System.out.println(str1==str2); //false

     

    這就是說,賦值的變化導致了類對象引用的變化,str1指向了另外一個新對象!而str2仍舊指向原來的對象。上例中,當我們將str1的值改為"bcd"時,JVM發現在棧中沒有存放該值的地址,便開辟了這個地址,并創建了一個新的對象,其字符串的值指向這個地址。

     

    事實上,String類被設計成為不可改變(immutable)的類。如果你要改變其值,可以,但JVM在運行時根據新值悄悄創建了一個新對象,然后將這個對象的地址返回給原來類的引用。這個創建過程雖說是完全自動進行的,但它畢竟占用了更多的時間。在對時間要求比較敏感的環境中,會帶有一定的不良影響。

     

    再修改原來代碼:

     

    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這個對象的引用直接指向str1所指向的對象(注意,str3并沒有創建新對象)。當str1改完其值后,再創建一個String的引用str4,并指向因str1修改值而創建的新的對象。可以發現,這回str4也沒有創建新的對象,從而再次實現棧中數據的共享。

     

    我們再接著看以下的代碼。

     

    String str1 = new String("abc"); 
    String str2 = "abc";
    System.out.println(str1==str2);    //false

     

    創建了兩個引用。創建了兩個對象。兩個引用分別指向不同的兩個對象。

     

    以上兩段代碼說明,只要是用new()來新建對象的,都會在堆中創建,而且其字符串是單獨存值的,即使與棧中的數據相同,也不會與棧中的數據共享。

     

    ● 數據類型包裝類的值不可修改。不僅僅是String類的值不可修改,所有的數據類型包裝類都不能更改其內部的值。

     

    ● 結論與建議:

     

    (1)我們在使用諸如String str="abc";的格式定義類時,總是想當然地認為,我們創建了String類的對象str。擔心陷阱!對象可能并沒有被創建!唯一可以肯定的是,指向String類的引用被創建了。至于這個引用到底是否指向了一個新的對象,必須根據上下文來考慮,除非你通過new()方法來顯要地創建一個新的對象。因此,更為準確的說法是,我們創建了一個指向String類的對象的引用變量str,這個對象引用變量指向了某個值為"abc"的String類。清醒地認識到這一點對排除程序中難以發現的bug是很有幫助的。

     

    (2)使用String str="abc";的方式,可以在一定程度上提高程序的運行速度,因為JVM會自動根據棧中數據的實際情況來決定是否有必要創建新對象。而對于String str=new String("abc");的代碼,則一概在堆中創建新對象,而不管其字符串值是否相等,是否有必要創建新對象,從而加重了程序的負擔。這個思想應該是享元模式的思想,但JDK的內部在這里實現是否應用了這個模式,不得而知。

     

    (3)當比較包裝類里面的數值是否相等時,用equals()方法;當測試兩個包裝類的引用是否指向同一個對象時,用 ==。

     

    (4)由于String類的immutable性質,當String變量需要經常變換其值時,應該考慮使用StringBuffer類,以提高程序效率。

     

    如果java不能成功分配heap的空間,將拋出OutOfMemoryError。

     

     

    13、解釋內存中的棧(stack)、堆(heap)和方法區(method area)的用法

     

    通常我們定義一個基本數據類型的變量,一個對象的引用,還有就是函數調用的現場保存都使用JVM中的棧空間;而通過new關鍵字和構造器創建的對象則放在堆空間,堆是垃圾收集器管理的主要區域,由于現在的垃圾收集器都采用分代收集算法,所以堆空間還可以細分為新生代和老生代,再具體一點可以分為Eden、Survivor(又可分為From Survivor和To Survivor)、Tenured;方法區和堆都是各個線程共享的內存區域,用于存儲已經被JVM加載的類信息、常量、靜態變量、JIT編譯器編譯后的代碼等數據;程序中的字面量(literal)如直接書寫的100、"hello"和常量都是放在常量池中,常量池是方法區的一部分。棧空間操作起來最快但是棧很小,通常大量的對象都是放在堆空間,棧和堆的大小都可以通過JVM的啟動參數來進行調整,棧空間用光了會引發StackOverflowError,而堆和常量池空間不足則會引發OutOfMemoryError。

     

    String str = new String("hello");

     

    上面的語句中變量str放在棧上,用new創建出來的字符串對象放在堆上,而"hello"這個字面量是放在方法區的。

     

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