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

在JVM中，类加载机制是保证类型安全的重要机制，它确保每个类型只被加载一次。类加载器负责从文件系统或网络中查找.class文件，并将其读入JVM。类加载过程涉及以下几个关键步骤：

1. 加载（Loading）：这个过程涉及到类加载器，如Bootstrap ClassLoader、Extension ClassLoader和Application ClassLoader。Bootstrap ClassLoader负责加载核心库，如rt.jar；Extension ClassLoader加载扩展库；Application ClassLoader加载应用程序类路径下的类。

2. 验证（Verification）：验证阶段确保加载的类信息符合JVM规范，检查字节码结构是否合法，防止恶意代码的执行。

3. 准备（Preparation）：为类变量分配内存，并设置默认初始值，但不包括用final关键字修饰的静态变量，它们的值将在初始化阶段赋值。

4. 解析（Resolution）：将符号引用转换为直接引用，例如，将类中的字段引用转换为指向相应字段的指针。

5. 初始化（Initialization）：执行类的初始化代码，包括静态初始化器和静态代码块。

类加载过程

类加载过程是一个复杂的过程，涉及到类加载器的委托模型。在Java 9之前，双亲委派模型是类加载器的默认行为，它确保了JVM的安全性和稳定性。然而，从Java 9开始，这种模型被打破，允许类加载器之间进行直接交互。

• 加载：类加载器通过读取文件系统或网络中的.class文件，创建Class对象。
• 验证：确保类文件符合JVM规范，不含有恶意代码。
• 准备：为类变量分配内存空间，并设置默认初始值。
• 解析：将符号引用替换为直接引用，如方法、字段的引用。
• 初始化：执行类的初始化代码，包括静态初始化器和静态代码块。

双亲委派模型

双亲委派模型是一种安全机制，它要求类加载器首先委托其父加载器进行类加载，只有当父加载器无法完成类加载时，子加载器才会尝试加载类。这种模型避免了类的重复加载，保证了类型的安全。

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，这对于实现模块化、热部署等功能非常有用。自定义类加载器需要继承ClassLoader类，并重写findClass方法，以自定义类的查找逻辑。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的模块化系统，它通过模块来组织代码，提供更好的隔离性和可扩展性。模块系统通过模块描述符（module-info.java）来定义模块的依赖和模块的公开接口。

内存模型

JVM的内存模型包括堆、栈、方法区、PC寄存器等几个区域：

• 堆（Heap）：堆是所有类实例和数组的内存分配区域，由垃圾回收器管理。
• 栈（Stack）：栈存储局部变量和方法调用栈，每个线程有自己的栈。
• 方法区（Method Area）：存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据。
• PC寄存器：用于存储当前线程所执行的指令的地址。

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：创建过多对象或数组，导致堆内存耗尽。
• 方法区内存不足：加载大量类，导致方法区内存不足。
• 栈内存不足：递归调用过深，导致栈内存耗尽。

垃圾回收

垃圾回收是JVM自动管理内存的重要机制，通过回收不再使用的对象来释放内存。垃圾回收的关键概念包括：

• GC Roots可达性分析：从GC Roots开始，向上搜索可达对象，不可达对象即为垃圾。
• 分代收集理论：将对象分为新生代和老年代，不同代使用不同的回收算法。
• 引用类型：强引用、软引用、弱引用和虚引用，它们在垃圾回收中的作用不同。
• 垃圾回收算法：标记-清除、复制、整理算法。
• 并发收集器：CMS、G1、ZGC等，用于减少停顿时间。

停顿时间控制策略

JVM的停顿时间控制策略旨在减少垃圾回收带来的停顿时间，提高应用程序的性能。常见的策略包括：

• 减少垃圾回收的频率：通过调整JVM参数，减少垃圾回收的频率。
• 优化垃圾回收算法：选择适合应用程序的垃圾回收算法，减少停顿时间。
• 使用并发收集器：使用CMS、G1等并发收集器，减少停顿时间。

性能调优

性能调优包括JVM参数配置、内存泄漏诊断和JIT编译优化等。JVM参数配置包括：

• 堆内存大小：调整堆内存大小，以适应应用程序的需要。
• 栈内存大小：调整栈内存大小，以适应线程的内存需求。
• 垃圾回收策略：选择合适的垃圾回收策略，以减少停顿时间。

Spring Boot知识体系

自动配置

Spring Boot的自动配置功能通过条件化配置来实现，它根据类路径下存在的类、配置文件和其他条件自动配置应用程序。自动配置的核心是Spring Factories机制，它允许自动发现和注册Bean。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解通过扫描类路径下的jar包和配置文件，自动配置应用程序。它通过类路径下的META-INF/spring.factories文件来发现AutoConfiguration类。

条件化配置（@Conditional）

条件化配置允许开发者根据不同的条件来启用或禁用某些配置。例如，可以使用@ConditionalOnClass、@ConditionalOnMissingBean等注解来根据特定的条件启用配置。

自定义Starter开发

自定义Starter可以帮助开发者将库或模块封装成可重用的组件。开发者可以通过创建一个包含特定依赖的jar包，并添加spring-boot-starter命名前缀来创建一个自定义Starter。

起步依赖

起步依赖是Spring Boot项目的依赖管理机制，它简化了依赖的添加和版本控制。起步依赖通常包含多个库，以提供特定功能。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM（Bill of Materials）文件用于管理所有依赖的版本，确保版本的一致性。BOM文件通过定义依赖的版本，确保应用程序的各个组件都使用相同的版本。

版本冲突解决

解决版本冲突是依赖管理的重要任务。Spring Boot提供了多种策略来处理版本冲突，包括：

• 依赖树分析：分析依赖树，找出版本冲突的原因。
• 依赖覆盖：通过指定特定版本的依赖来覆盖其他版本的依赖。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库的集成模式，如RESTful API、数据库集成等。开发者可以使用Spring Data、Spring Security等框架来集成第三方库。

Actuator

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

• 健康检查端点：用于检查应用程序的健康状态。
• 度量指标收集：用于收集应用程序的性能指标。
• 自定义Endpoint开发：允许开发者扩展Actuator的功能。

配置文件管理

Spring Boot使用配置文件来管理应用程序的配置，如application.yml。配置文件支持多种格式，包括Properties、YAML等。

多环境配置

多环境配置允许开发者为不同的环境（如开发、测试、生产）提供不同的配置。开发者可以通过配置文件名来区分不同环境的配置。

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。开发者可以使用Spring Cloud Config等工具来实现动态配置。

监控与日志

Spring Boot提供了多种监控和日志解决方案，如Micrometer、Logback/SLF4J。这些解决方案可以帮助开发者了解应用程序的性能和日志信息。

分布式链路追踪

分布式链路追踪可以帮助开发者了解分布式系统的调用关系。Spring Boot通过集成Zipkin、Jaeger等工具来实现分布式链路追踪。

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扩展Spring Boot的功能。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，允许开发者使用Reactor、Project Reactor等技术。响应式编程可以帮助开发者构建异步、非阻塞的应用程序。

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为Java应用程序提供了运行环境，而Spring Boot则是在此之上构建的一个简化开发流程的框架。掌握这两个技术，对于Java开发者来说至关重要。

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