JVM/Spring Boot详解

📕我是廖志伟，一名Java开发工程师、《Java项目实战——深入理解大型互联网企业通用技术》（基础篇）、（进阶篇）、（架构篇）清华大学出版社签约作家、Java领域优质创作者、优快云博客专家、阿里云专家博主、51CTO专家博主、产品软文专业写手、技术文章评审老师、技术类问卷调查设计师、幕后大佬社区创始人、开源项目贡献者。

📘拥有多年一线研发和团队管理经验，研究过主流框架的底层源码(Spring、SpringBoot、SpringMVC、SpringCloud、Mybatis、Dubbo、Zookeeper)，消息中间件底层架构原理(RabbitMQ、RocketMQ、Kafka)、Redis缓存、MySQL关系型数据库、 ElasticSearch全文搜索、MongoDB非关系型数据库、Apache ShardingSphere分库分表读写分离、设计模式、领域驱动DDD、Kubernetes容器编排等。不定期分享高并发、高可用、高性能、微服务、分布式、海量数据、性能调优、云原生、项目管理、产品思维、技术选型、架构设计、求职面试、副业思维、个人成长等内容。

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JVM知识体系详解

类加载机制

Java虚拟机（JVM）的类加载机制是确保Java代码安全性和可扩展性的关键。在JVM中，类加载器负责加载类字节码到JVM中，并确保类加载过程中的安全性和有效性。

类加载过程

类加载过程分为三个主要阶段：加载、连接和初始化。

1. 加载：在这一阶段，类加载器会读取.class文件，并将其字节码加载到内存中，同时为每个类创建一个Class对象，该对象包含类的基本信息和方法表。

2. 连接：

   • 验证：这一阶段主要检查类的字节码是否符合JVM规范，确保没有安全风险。验证过程包括：类文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证等。
   • 准备：为类变量分配内存，并设置默认初始值。对于基本数据类型，如int，初始值为0；对于对象引用，初始值为null。
   • 解析：将类、接口、字段和方法的符号引用转换为直接引用。符号引用是指字符串形式的类名、接口名、字段名和方法的描述符；直接引用是指直接指向对象的指针、偏移量或方法句柄等。

3. 初始化：初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程。这个过程包括：

   • 执行类构造器中的代码，包括静态变量赋值和静态代码块；
   • 解析并初始化类中声明的所有变量；
   • 初始化类中的静态常量；
   • 初始化类中的静态内部类。

双亲委派模型

双亲委派模型是JVM中类加载器的一个核心设计模式，它要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。

• 启动类加载器：负责加载<JAVA_HOME>/lib目录中的核心API类库，如rt.jar等。
• 扩展类加载器：负责加载<JAVA_HOME>/lib/ext目录中的扩展类库。
• 应用程序类加载器：负责加载用户类路径（classpath）中的类库。

当一个类加载器请求加载某个类时，它首先将请求委派给父类加载器，只有当父类加载器无法完成这个请求时，才自己去加载。这种设计模式确保了Java程序的安全性，防止恶意代码通过自定义类加载器加载非可信的类。

自定义类加载器

自定义类加载器允许开发者控制类的加载过程，这对于实现特殊的类加载逻辑，如动态加载、代码混淆、资源加载等非常有用。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的模块化系统，它提供了更好的模块化能力，使得类和资源可以被封装在模块中，从而提高了系统的可维护性和安全性。

JPMS的核心概念包括：

• 模块：模块是代码和资源的封装单元，它通过模块描述符（module-info.java）定义模块的依赖和接口。
• 模块路径：模块路径是一个目录，包含所有模块的目录。
• 模块版本：模块版本用于确保模块依赖的一致性。

内存模型

JVM的内存模型包括以下几个运行时数据区：

1. 堆：堆是所有线程共享的内存区域，用于存放几乎所有的对象实例。堆的分配和回收由垃圾回收器管理。
2. 栈：栈是每个线程拥有自己的栈空间，用于存放局部变量和方法调用信息。栈的分配和回收由线程执行栈的自动管理机制完成。
3. 方法区：方法区用于存放已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据。方法区的分配和回收由垃圾回收器管理。
4. PC寄存器：每个线程都有一个程序计数器，用于指示下一条要执行的字节码指令。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在以下场景：

• 创建大量对象，导致堆空间不足。
• 长时间占用栈空间，导致栈溢出。
• 方法区空间不足，无法加载新的类。

垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动管理内存的一个重要机制，它通过识别和回收不再使用的对象来释放内存。

1. GC Roots可达性分析：GC通过一系列称为GC Roots的对象作为起点，从这些起点开始向上搜索，找到所有可达的对象，不可达的对象则被视为垃圾。GC Roots通常包括以下几种类型：

   • 栈帧中的局部变量表中的引用变量；
   • 方法区中的常量引用；
   • 本地方法栈中的引用变量。

2. 分代收集理论：JVM将对象分为新生代（Young）和老年代（Old），不同的收集算法适用于不同的代。新生代主要用于存放新生对象，老年代主要用于存放存活时间较长的对象。

3. 引用类型：Java中的引用有四种类型：强引用、软引用、弱引用和虚引用。

   • 强引用：默认的引用类型，垃圾回收器不会回收强引用的对象。
   • 软引用：软引用指向的对象在内存不足时会被垃圾回收器回收。
   • 弱引用：弱引用指向的对象在垃圾回收器进行垃圾回收时，如果没有其他强引用指向这些对象，它们会被回收。
   • 虚引用：虚引用是垃圾回收器的一个辅助机制，用于实现对象的最终回收。

4. 垃圾回收算法：

   • 标记-清除：标记所有可达对象，然后清除未被标记的对象。
   • 复制：将所有对象分配在内存的一端，每次只使用一半，当这一半空间用完时，将所有存活的对象复制到内存的另一端。
   • 整理：标记-清除算法的改进版，在清除垃圾后，将存活对象整理到内存的一端。

并发收集器

JVM提供了多种并发收集器，如CMS（Concurrent Mark Sweep）和G1（Garbage-First），它们旨在减少停顿时间。

• CMS收集器：CMS收集器是一种以最小化停顿时间为目标的收集器，它适用于对响应时间有较高要求的场景。
• G1收集器：G1收集器是一种基于区域（Region）的收集器，它将堆内存划分为多个区域，并使用并发标记和整理算法来减少停顿时间。

停顿时间控制策略

JVM提供了多种策略来控制垃圾回收的停顿时间，如通过调整堆大小或使用并发收集器。

性能调优

性能调优是确保JVM高效运行的关键。这包括JVM参数配置、内存泄漏诊断和JIT编译优化。

Spring Boot知识体系详解

自动配置

Spring Boot的自动配置功能是基于条件化配置实现的，它可以根据项目依赖和配置信息自动配置Bean。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解是Spring Boot自动配置的核心，它通过条件化配置（@Conditional）来实现自动配置。

• 条件化配置：条件化配置允许开发者定义何时应用某些配置。Spring Boot提供了多种条件化配置，如@ConditionalOnClass、@ConditionalOnBean、@ConditionalOnMissingBean等。

条件化配置（@Conditional）

条件化配置允许开发者定义何时应用某些配置，例如，只有当项目中存在某些类或配置时，才应用特定的配置。

自定义Starter开发

自定义Starter可以帮助开发者将项目依赖和配置封装起来，方便其他开发者使用。

起步依赖

起步依赖是Spring Boot项目的基础依赖，它包含了一系列项目可能需要的库。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM（Bill of Materials）文件用于管理项目依赖的版本，确保所有依赖的版本一致。

版本冲突解决

解决版本冲突的方法包括升级依赖、排除冲突依赖或使用依赖继承。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式，如通过starter依赖或手动配置。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了健康检查、度量指标收集和自定义端点等功能。

健康检查端点

健康检查端点用于检查应用程序的健康状态。Spring Boot提供了多种健康指标，如内存使用情况、数据库连接状态、缓存命中率等。

度量指标收集

度量指标收集允许开发者收集应用程序的性能数据。Spring Boot集成了Micrometer用于集成监控工具，同时支持Logback/SLF4J等日志框架。

自定义Endpoint开发

自定义Endpoint允许开发者扩展Actuator的功能。开发者可以自定义端点来收集特定指标、执行特定操作或提供特定信息。

配置文件管理

Spring Boot支持多环境配置，通过application-{profile}.yml文件来区分不同环境的配置。

配置加载优先级

配置加载优先级决定了不同配置文件中配置的优先级。Spring Boot默认优先加载application.yml，然后加载application-{profile}.yml。

动态配置刷新

动态配置刷新允许开发者在不重启应用程序的情况下更新配置。Spring Boot通过Spring Cloud Config等工具实现了动态配置刷新功能。

监控与日志

Spring Boot集成了Micrometer用于集成监控工具，同时支持Logback/SLF4J等日志框架。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如通过Zipkin或Jaeger。分布式链路追踪可以帮助开发者追踪跨多个服务的请求，从而定位问题。

扩展机制

Spring Boot提供了多种扩展机制，如自定义AutoConfigurationBean和生命周期扩展点。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，通过Spring WebFlux等组件实现。响应式编程可以帮助开发者构建更高效、更可扩展的应用程序。

通过以上对JVM和Spring Boot知识体系的详细解析，我们可以看到这两个技术是如何相互关联和影响的。JVM作为Java应用程序的运行环境，为Spring Boot提供了基础；而Spring Boot则构建在JVM之上，通过自动配置、模块化等特性简化了Java应用程序的开发。理解和掌握这些知识点，对于开发高效、可维护的Java应用程序至关重要。

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