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发表于 2019-08-26 15:24:39 | 查看: 5082| 回复: 0

java设计模式面试题及答案(10~13题)

java设计模式面试题及答案(10~13题)

10、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。
  • java内存分配
  • 基础数据类型直接在栈空间分配;
  • 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;
  • 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;
  • 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;
  • 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;
  • 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;
  • 字符串常量在DATA区域分配,this在堆空间分配;
  • 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!

11、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。
  • 强引用(StrongReference)

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:

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。

  • 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:

(1)首先将softRef的referent(abc)设置为null,不再引用heap中的new String("abc")对象。

(2)将heap中的new String("abc")对象设置为可结束的(finalizable)。

(3)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,虚引用通向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。

(1)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)。

(2)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。

12、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

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可能是有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true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。

  • 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。
  • 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。

13、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。


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