JVM与Spring Boot深度解析

📕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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JVM知识体系

类加载机制

Java虚拟机（JVM）的类加载机制是其运行时框架的核心之一，它负责将类文件转换成JVM可以执行的字节码，并确保类在运行时的唯一性和安全性。在JVM中，类加载器扮演着至关重要的角色，它们负责加载类文件、验证类文件、准备类元数据以及解析类和接口之间的引用关系。

类加载过程

类加载过程可以细分为以下几个阶段：

1. 加载：在这一阶段，类加载器会读取类文件并将其内容读入内存。这一步会创建一个代表该类的java.lang.Class对象，它将作为后续操作的基础。

2. 验证：验证阶段是确保加载的类信息符合JVM规范的关键步骤。这包括对类文件结构的验证、字节码验证、符号引用验证等，以防止诸如安全漏洞和类文件篡改等问题。

3. 准备：为类变量分配内存，并设置默认初始值。这里的类变量指的是声明为static的变量，这些变量的内存分配在方法区进行。

4. 解析：将符号引用转换为直接引用，即解析类、接口、字段和方法的符号引用到类、接口、字段和方法的直接引用。

5. 初始化：初始化阶段是类加载过程的最后一步，它负责执行类构造器<clinit>()方法，完成类变量的初始化和静态变量的赋值。

双亲委派模型

双亲委派模型是一种安全机制，它规定除了顶层的启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。当类加载器收到类加载请求时，它会首先委派给父类加载器去尝试加载，只有当父类加载器无法完成加载任务时，才由自己来加载。

这种模型有助于防止类的重复加载，同时也保证了类型的安全。例如，当尝试加载java.lang.Object类时，Java标准库的类加载器会先请求启动类加载器，但启动类加载器会意识到这个类是Java的核心类，因此会直接加载它，而不是通过委派给应用程序类加载器。

自定义类加载器

自定义类加载器允许开发者根据特定的需求实现类加载逻辑。例如，可以通过自定义类加载器来加载来自特定文件系统或网络位置的类，或者实现更加复杂的类转换逻辑。

在实现自定义类加载器时，需要覆写findClass方法，它负责查找和返回类的字节码。此外，还可以覆写loadClass方法来扩展类的加载逻辑。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一项重大特性，它通过模块来组织代码，从而提高了代码的可维护性、可扩展性和安全性。

在JPMS中，每个模块都是一个独立的单元，它定义了自己的API和依赖关系。模块的依赖通过模块描述文件（module-info.java）来声明，这有助于减少运行时对类的搜索，从而提高启动速度和减少内存占用。

内存模型

JVM的内存模型分为以下几个区域：

• 堆：堆是Java对象的主要存储区域，几乎所有的对象实例和数组都在这里分配内存。
• 栈：栈是线程私有的内存区域，用于存储局部变量和方法调用栈。
• 方法区：方法区存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据，它是所有线程共享的。
• PC寄存器：每个线程都有自己的PC寄存器，用于存储指向下一条指令的指针。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在以下场景：

• 堆内存不足：当创建大量对象时，如果没有足够的堆内存空间，就会抛出OutOfMemoryError。
• 栈内存不足：长时间占用栈内存会导致栈溢出错误，例如在递归调用时。
• 方法区或PC寄存器内存不足：方法区用于存储类信息，如果类信息过多，可能会导致方法区内存不足。PC寄存器内存不足则相对较少见。

垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动管理内存的一种机制，它通过回收不再使用的对象来释放内存。

• GC Roots可达性分析：GC Roots是一组对象，它们作为垃圾回收的起点。通过分析这些根对象，可以确定哪些对象是可达的，哪些是不可达的。
• 分代收集理论：JVM将对象分为新生代、老年代和永久代，针对不同代的对象采取不同的回收策略。
• 引用类型：不同的引用类型对垃圾回收有不同的影响，例如强引用、软引用、弱引用和虚引用。

垃圾回收算法

常见的垃圾回收算法包括：

• 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：将对象复制到新的内存空间，回收旧空间。
• 整理：移动所有存活对象，清理内存碎片。

并发收集器

JVM提供了多种并发收集器，例如：

• CMS（Concurrent Mark Sweep）：以最短停顿时间为目标，通过并发标记和清除来减少停顿时间。
• G1（Garbage-First）：面向服务端应用，通过优先回收垃圾收集价值最高的区域来提供可控的停顿时间。
• ZGC（Z Garbage Collector）：低延迟的垃圾回收器，通过将垃圾回收操作分散到多个较小的停顿时间中来降低停顿时间。

停顿时间控制策略

JVM提供了多种策略来控制停顿时间，例如：

• 使用不同的收集器：不同的收集器有不同的停顿时间特性，可以根据应用的需求选择合适的收集器。
• 调整JVM参数：通过调整JVM参数，如-XX:MaxGCPauseMillis，可以控制垃圾回收的停顿时间。

性能调优

性能调优包括以下几个方面：

• JVM参数配置：通过调整JVM参数来优化性能，例如调整堆大小、栈大小、垃圾回收策略等。
• 内存泄漏诊断：使用工具检测和修复内存泄漏，以确保系统稳定运行。

JIT编译优化

JIT编译器可以将Java字节码编译成本地机器码，从而提高程序的执行效率。JIT编译优化包括：

• 方法内联：将频繁调用的方法内联到调用者中，减少函数调用的开销。
• 循环优化：优化循环结构，减少循环的开销。
• 分支预测：预测分支的结果，减少分支预测错误的开销。

Spring Boot知识体系

自动配置

Spring Boot通过自动配置功能简化了Spring应用的配置过程。它根据添加的jar依赖自动配置Bean，从而减少了繁琐的XML配置。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解通过条件化配置来启用自动配置。它扫描类路径下的所有jar包，根据类路径下的配置文件或类来决定是否启用某些Bean。

条件化配置（@Conditional）

@Conditional注解允许根据特定的条件来启用或禁用配置。例如，可以通过@ConditionalOnClass、@ConditionalOnBean等注解来根据类或Bean的存在来启用或禁用配置。

自定义Starter开发

自定义Starter可以帮助开发者将常用的依赖和配置封装起来，方便其他开发者使用。在开发自定义Starter时，需要定义一个Maven项目，并添加所需的依赖和配置。

起步依赖

起步依赖（Starters）是Spring Boot提供的依赖管理机制，它简化了依赖的添加和版本管理。每个Starter都包含了一组预定义的依赖，这些依赖是根据Spring Boot的最佳实践来选择的。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM（Bill of Materials）文件用于管理依赖的版本，确保所有依赖的版本一致性。在Spring Boot项目中，BOM文件通常位于pom.xml文件中。

版本冲突解决

通过使用BOM文件或依赖管理工具（如Maven或Gradle）来解决版本冲突。例如，可以使用Maven的依赖树功能来查看依赖关系，并解决版本冲突。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库的集成模式，包括：

• 自动配置：自动配置第三方库，简化配置过程。
• 配置文件：通过配置文件来配置第三方库。
• 注解：使用注解来配置第三方库。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了一系列端点，用于监控和管理Spring Boot应用。这些端点包括：

• 健康检查端点：用于检查应用的健康状态。
• 度量指标收集：用于收集应用的性能数据。
• 自定义Endpoint开发：允许开发者自定义端点来扩展Actuator的功能。

配置文件管理

Spring Boot使用配置文件来管理应用配置，支持多环境配置。配置文件可以是XML、YAML或Properties格式，并且可以通过application.properties和application.yml文件来指定。

• 多环境配置：通过application-{profile}.yml文件来配置不同环境的配置，例如开发环境、测试环境和生产环境。
• 配置加载优先级：Spring Boot会按照优先级加载配置文件，例如优先加载application.yml，然后加载application-dev.yml。
• 动态配置刷新：支持动态刷新配置文件，例如在运行时修改配置文件并使修改生效。

监控与日志

Spring Boot集成了Micrometer和Logback/SLF4J等工具，用于监控和记录应用日志。

• Micrometer集成：用于集成不同的监控工具，例如Prometheus、Grafana等。
• Logback/SLF4J配置：用于配置日志记录器，例如设置日志级别、日志格式、日志输出位置等。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，例如Zipkin和Jaeger。分布式链路追踪可以帮助开发者了解请求在分布式系统中的路径，并分析性能瓶颈。

扩展机制

Spring Boot提供了多种扩展机制，例如：

• 自定义AutoConfigurationBean：允许开发者自定义自动配置的Bean。
• 生命周期扩展点：允许开发者扩展Spring Boot的生命周期，例如在应用启动或关闭时执行特定的操作。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程模型，例如Spring WebFlux。响应式编程可以帮助开发者构建高性能、可扩展的异步系统。

通过以上知识点的串联，我们可以更好地理解JVM和Spring Boot的工作原理，并能够在实际开发中灵活运用这些知识，提高开发效率和系统性能。

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