30道有趣的JVM面试题(小结)

我将根据“30道有趣的JVM面试题(小结)”这篇文章，给出一份完整的攻略，包括每道面试题的解析和答案。

1. 什么是JVM？

JVM即Java Virtual Machine，Java虚拟机。它是一种能够在各种平台上运行Java程序的虚拟机。JVM可以将Java代码编译成字节码，然后在不同的平台上通过解释执行这些字节码以实现Java程序的运行。

2. Java程序运行时，JVM内存是如何划分的？

JVM内存主要分为以下几个部分：

堆区(heap): 存放对象实例，被所有线程共享。堆区在Java程序启动时被创建，其大小可以通过 JVM 的启动参数 -Xmx 和 -Xms 来设定。
虚拟机栈(stack): 每个线程都有独立的虚拟机栈，用于存储局部变量和方法调用的信息。每个方法在执行的时候都会创建一个栈帧(stack frame)来存储方法参数、局部变量等信息。栈的深度由JVM的启动参数-Xss来设定。
本地方法栈(native stack): 与虚拟机栈类似，但是用于执行本地方法。
方法区(method area): 存储类信息、常量等。在 HotSpot JVM 中，方法区被称为 Permanent Generation(永久代)，但是在 JDK 8 中，永久代被移除，方法区和堆区是同一个区域:Metaspace。
PC寄存器(Program Counter Register)：记录当前线程执行的字节码位置。

3. 什么是类加载器？有哪些类加载器？

类加载器即ClassLoader。类加载器用于将类的.class文件加载到JVM中，并将其转换为Class对象。Java类库中的类加载器按照工作方式的不同，可以分为以下几类：

启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)：用于加载Java的核心类库，如java.lang.*等。
扩展类加载器(Extension ClassLoader)：用于加载扩展目录(ext目录)中的类。
系统类加载器(System ClassLoader)：用于加载应用程序classpath目录下的类。
自定义类加载器(Custom ClassLoader)：用户自定义的类加载器，通过继承ClassLoader并实现自定义功能来实现。

4. Java内存模型是什么？

Java内存模型(Java Memory Model, JMM)规定了JVM中各个线程如何与内存进行交互。它定义了一系列规则来保证多线程程序的正确性和可见性。

Java内存模型采用了一种称为“主内存-工作内存”模型。主内存是所有线程共享的内存区域，工作内存是线程独立的内存区域。工作内存中保存了主内存中的部分数据副本，线程在工作内存中读写数据，再将修改后的值写回主内存，确保不同线程之间的数据可见性与协同工作的正确性。

5. 什么是信号量？

信号量(Semaphore)是一种用于控制访问共享资源的计数器。它可以用于限制并发线程的数量，保护共享资源的访问。信号量通常是基于操作系统提供的原语实现的。

Java提供了java.util.concurrent.Semaphore类，可以使用它方便地实现信号量。Semaphore类有两个方法：acquire和release，用于获取和释放信号量的计数器。可以使用Semaphore的构造函数指定计数器的初始值。

示例：

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class SemaphoreDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Semaphore semaphore = new Semaphore(2);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(new Task(semaphore)).start();
        }
    }

    static class Task implements Runnable {
        private Semaphore semaphore;

        public Task(Semaphore semaphore) {
            this.semaphore = semaphore;
        }

        public void run() {
            try {
                semaphore.acquire();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquire semaphore");
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " release semaphore");
                semaphore.release();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

上述代码创建了一个初始计数器为2的Semaphore，然后启动5个线程来尝试获取信号量。由于计数器为2，所以只有两个线程能够成功获取信号量，另外三个线程需要等待。在获取信号量后，线程执行任务，然后释放信号量，让其他线程能够获取信号量。

6. 什么是自旋锁？

自旋锁(Spin Lock)是一种保证同步的机制，它不会使线程进入阻塞状态，而是让线程不断地执行循环检查锁的状态，直到获取到锁为止。自旋锁通常适用于轻量级的同步场景。

Java中，自旋锁通常有两种实现方式：CAS(Compare and Swap)和AtomicInteger。这两种实现方式都可以通过循环不停地尝试CAS操作来保证线程的同步。

示例：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class SpinLockDemo {
    private AtomicInteger state = new AtomicInteger(0);

    public void lock() {
        while (!state.compareAndSet(0, 1)) {
            // 空循环，等待获取锁
        }
    }

    public void unlock() {
        state.set(0);
    }

    public static void main(String[] args) {
        SpinLockDemo spinLock = new SpinLockDemo();
        new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " start");
            spinLock.lock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " get lock");
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            spinLock.unlock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " release lock");
        }).start();

        new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " start");
            spinLock.lock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " get lock");
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            spinLock.unlock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " release lock");
        }).start();
    }
}

上述代码中，实现了一个自旋锁SpinLock，使用AtomicInteger来实现。在lock方法中，不断循环尝试CAS操作以获取锁；在unlock方法中，则将状态设为0，表示释放锁。然后启动两个线程分别尝试获取锁，执行任务，释放锁。由于使用了自旋锁，线程不会进入阻塞状态，从而减少了线程切换的开销。

通过上述示例，可以更好地理解什么是自旋锁并学会实现自旋锁。

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