JVM与Spring Boot核心解析

📕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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一、JVM知识体系

1. 类加载机制

JVM的类加载机制涉及多个组件，包括类加载器、类定义数据、类对象以及加载过程中的验证、准备和解析等步骤。在加载过程中，JVM会确保类信息符合Java语言规范，并通过字节码验证器对字节码进行安全检查。类加载器通常包括启动类加载器、扩展类加载器和应用程序类加载器，它们各自负责加载不同类型的类文件。

2. 类加载过程

• 加载：这个过程包括读取类的二进制数据、解析类的二进制数据以及创建类对象。在这个过程中，JVM会确保类文件的格式正确，并且类文件中的常量池、字段、方法等信息正确无误。
• 连接：连接过程又分为验证、准备和解析三个步骤。验证确保类文件符合Java语言规范，准备为类变量分配内存并设置默认值，解析则将符号引用转换为直接引用。
• 初始化：初始化阶段是执行类构造器方法（ ()）的过程，这个过程是按顺序执行的，包括初始化静态变量、执行静态代码块等。

3. 双亲委派模型

双亲委派模型是一种安全机制，它规定类加载器首先请求其父类加载器进行类的加载，只有当父类加载器无法完成加载任务时，才由子类加载器进行加载。这种模型的优点是防止类与类之间的不兼容性问题，同时也有助于防止恶意代码对JVM的攻击。

4. 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。例如，可以创建一个网络类加载器来从网络上加载类，或者创建一个加密类加载器来加载加密后的类文件。

5. 模块化系统（JPMS）

JPMS引入了模块的概念，将JVM环境划分为多个模块，每个模块包含一组类和资源。这种模块化系统通过模块描述文件（module-info.java）来定义模块间的依赖关系，使得类加载更加高效和安全。

6. 内存模型

JVM的内存模型是虚拟的，它由不同的区域组成，每个区域都有其特定的用途和生命周期。例如，堆内存是动态分配对象的地方，栈内存用于存储局部变量和方法调用信息，而方法区则是存储类信息的地方。

7. 内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在堆空间不足时，可能导致JVM无法为新的对象分配内存。这种情况可能发生在大量对象创建或者对象生命周期过长的情况下。分析内存溢出需要使用JVM提供的内存分析工具，如JProfiler或VisualVM。

8. 垃圾回收

垃圾回收是一个复杂的过程，它涉及到对对象引用的跟踪、可达性分析、回收算法的选择等。在分代收集理论中，新生代主要用于存放短期存活的对象，而老年代用于存放长期存活的对象。垃圾回收算法的选择会影响系统的性能，如CMS收集器适用于追求低延迟的场景，而G1收集器则适用于大内存场景。

9. 并发收集器

并发收集器允许垃圾回收与应用程序线程同时运行，这可以通过并行或多线程的方式实现。并行收集器在垃圾回收时可以分配多个线程进行垃圾回收工作，从而减少应用程序的停顿时间。

10. 停顿时间控制策略

停顿时间控制策略旨在通过调整垃圾回收参数来减少垃圾回收引起的应用程序停顿时间。这通常涉及到调整垃圾回收算法的参数，如G1的停顿时间目标（Max GCPause Time）。

11. 性能调优

性能调优是一个复杂的过程，它涉及到对JVM参数的配置、内存泄漏的检测以及JIT编译器的优化。性能调优的目标是提高应用程序的响应速度和吞吐量。

二、Spring Boot知识体系

1. 自动配置

Spring Boot的自动配置功能是基于Spring的自动装配（Starter依赖）和条件注解（@Conditional）实现的。自动配置器会根据类路径下存在的类和配置文件自动配置Bean。

2. @EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解通过Spring的EnableAutoConfigurationImportSelector类实现，它扫描所有符合条件的配置类并将其添加到Spring的Bean定义中。

3. 条件化配置（@Conditional）

条件化配置允许开发者根据特定条件来决定是否配置某些Bean。例如，可以使用@ConditionalOnClass来检查某个类是否存在，或者使用@ConditionalOnProperty来检查配置属性。

4. 自定义Starter开发

自定义Starter可以简化Spring Boot应用的依赖管理。开发者可以创建一个包含一组依赖和自动配置的Starter，这样其他开发者就可以通过简单的Maven或Gradle依赖来使用它。

5. 起步依赖

起步依赖（Starters）是Spring Boot项目的基本依赖，它们提供了一系列常用库的集成，如Spring MVC、Spring Data JPA等。

6. 依赖管理机制（BOM文件）

BOM文件（Bill of Materials）定义了项目中的所有依赖版本，它可以解决依赖冲突和版本不一致的问题。在Maven中，BOM文件通常以.pom文件的形式出现。

7. 第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式，包括通过Maven或Gradle的依赖声明来集成第三方库。

8. Actuator

Spring Boot Actuator提供了一组端点，这些端点可以用来监控和管理应用程序。例如，可以通过/actuator/health端点来获取应用程序的健康状态。

9. 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，例如检查数据库连接是否正常、服务是否可用等。

10. 度量指标收集

Spring Boot Actuator支持收集应用程序的度量指标，这些指标可以用于监控系统性能和资源使用情况。

11. 自定义Endpoint开发

开发者可以自定义Endpoint来满足特定的监控需求。自定义Endpoint可以通过实现Endpoint接口或使用@Endpoint注解来实现。

12. 配置文件管理

Spring Boot支持多环境配置，开发者可以通过不同的配置文件来设置不同环境下的参数。例如，可以通过application-dev.yml来设置开发环境的配置。

13. 配置加载优先级

Spring Boot根据配置文件的优先级顺序加载配置参数。例如，application.yml文件的配置会覆盖同名的application.properties文件。

14. 动态配置刷新

Spring Boot支持动态刷新配置参数，这样开发者就不需要重启应用程序来应用新的配置。

15. 监控与日志

Spring Boot集成了Micrometer和Logback/SLF4J等监控和日志框架，这些框架可以用于收集应用程序的监控数据和日志。

16. 分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin和Jaeger，这些工具可以帮助开发者追踪跨多个服务的请求。

17. 扩展机制

Spring Boot提供了多种扩展机制，如自定义AutoConfiguration、Bean生命周期扩展点等，这些机制允许开发者根据自己的需求扩展Spring Boot的功能。

18. 响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，如使用Reactor和Spring WebFlux等框架，这些框架可以用于开发异步和非阻塞的应用程序。

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