📕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
在深入探讨Java虚拟机（JVM）的知识体系之前，我们首先需要了解JVM是Java语言运行时的核心，它负责将Java字节码转换为机器码，从而在底层操作系统上执行Java应用程序。
类加载机制
类加载机制是JVM的核心功能之一，它负责从文件系统或网络中加载Class文件，并将其转化为JVM可以使用的Java类型。
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。
- 加载：这个过程涉及到类加载器（ClassLoader）的角色。在JVM中，类加载器负责查找和加载指定的Class文件。类加载器通常分为启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）、扩展类加载器（Extension ClassLoader）和应用类加载器（Application ClassLoader）。启动类加载器负责加载JVM的核心类库，如rt.jar；扩展类加载器负责加载JDK的扩展库；应用类加载器负责加载应用程序的类库。类加载器使用文件名作为类的唯一标识符，将Class文件读取到JVM内存中，并创建一个Class对象。
- 连接：这个过程分为验证、准备和解析三个子阶段。验证阶段用于确保加载的Class文件符合JVM规范；准备阶段为类变量分配内存并设置默认值；解析阶段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（ ()）的过程，这个过程会执行类中的静态代码块和静态初始化器。
双亲委派模型
双亲委派模型是JVM类加载机制中的一个核心原则，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。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，子类加载器才会尝试自己去加载。这种模型保证了类型安全，避免了类的重复加载。
自定义类加载器
自定义类加载器允许开发者在JVM中扩展类加载机制，实现特定的加载逻辑，如实现模块化系统。自定义类加载器可以通过继承ClassLoader类或实现ClassLoader接口来创建。在创建自定义类加载器时，需要重写findClass方法，用于实现类文件的查找和加载逻辑。
模块化系统（JPMS）
Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一个模块化系统，它允许将Java应用程序分解为多个模块，从而提高应用程序的隔离性、可移植性和安全性。
模块化系统通过模块描述符（module-info.java）来定义模块的依赖关系和模块本身提供的接口。每个模块都有一个唯一的名称，模块之间通过模块路径来引用其他模块。
内存模型
JVM的内存模型包括运行时数据区和程序计数器。
运行时数据区
运行时数据区包括以下部分：
- 堆：堆是JVM内存中最大的部分，用于存储所有实例对象和数组的内存区域。堆内存的分配和回收由垃圾回收器（GC）负责。堆内存的分配策略通常采用分代收集，分为新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。
- 栈：栈是存储局部变量和方法的参数的内存区域。每个线程都有自己的栈空间，栈空间的大小在创建线程时确定。
- 方法区：方法区是存储类信息、常量、静态变量等的内存区域。方法区的大小通常在JVM启动时确定，可以通过JVM参数进行调整。
- PC寄存器：PC寄存器存储当前线程所执行的指令的内存区域。每个线程都有自己的PC寄存器，用于控制程序的执行流程。
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：创建的对象过多或对象体积过大，导致堆内存不足以容纳所有对象。
- 栈内存不足：方法调用太深或递归调用过多，导致栈内存不足以容纳局部变量和方法参数。
- 方法区内存不足：类加载过多或类信息过大，导致方法区内存不足以容纳所有类信息。
直接内存管理
直接内存管理允许JVM直接分配堆外内存，这部分内存不受GC管理，可以减少GC的开销。直接内存管理通常用于处理大文件读写、网络通信等场景。
垃圾回收
垃圾回收（GC）是JVM自动内存管理的一部分，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是垃圾回收的起点，只有从GC Roots开始可达的对象才被视为存活对象。GC Roots通常包括以下几种类型：
- 根对象：如线程栈中的本地变量、方法区的静态变量、常量等。
- 字符串常量池：字符串常量池中的字符串对象。
- 虚引用：虚引用对象不会阻止垃圾回收。
分代收集理论
分代收集理论将堆内存分为几个区域，如Young区、Old区，针对不同年龄的对象采用不同的回收策略。通常，新生代采用复制算法，老年代采用标记-清除或标记-整理算法。
引用类型
引用类型包括强引用、软引用、弱引用和虚引用，它们决定了对象的生命周期。
- 强引用：强引用是最常用的引用类型，当对象被强引用时，垃圾回收器不会回收该对象。
- 软引用：软引用可以用来实现内存敏感缓存，当内存不足时，垃圾回收器会回收软引用指向的对象。
- 弱引用：弱引用与软引用类似，但是弱引用指向的对象在垃圾回收时会被回收。
- 虚引用：虚引用是一种非常弱的引用类型，它不会阻止垃圾回收器回收对象，但是可以通过虚引用引用对象。
垃圾回收算法
垃圾回收算法包括标记-清除、复制、整理算法等。
- 标记-清除算法：先标记所有可达对象，然后清除未被标记的对象。
- 复制算法：将对象分为两个区域，每次只使用一个区域，当该区域内存不足时，将存活对象复制到另一个区域，并清空原区域。
- 整理算法：在标记-清除算法的基础上，将未被标记的对象移动到内存的一端，以减少内存碎片。
并发收集器
并发收集器如CMS和G1在垃圾回收过程中与用户线程并发执行，以减少停顿时间。并发收集器通常适用于多线程应用程序。
停顿时间控制策略
停顿时间控制策略旨在减少垃圾回收引起的应用程序停顿时间。常用的停顿时间控制策略包括：
- 自适应调整策略：根据应用程序的运行情况动态调整垃圾回收的参数。
- 预测性停顿时间控制：根据历史运行数据预测垃圾回收的停顿时间。
- 自适应大小调整策略：根据应用程序的内存使用情况动态调整堆的大小。
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：通过调整JVM参数来优化应用程序的性能，如堆大小、垃圾回收策略等。
- 内存泄漏诊断：使用内存分析工具诊断内存泄漏问题，如MAT、VisualVM等。
- JIT编译优化：通过调整JIT编译器的参数来优化应用程序的性能。
二、Spring Boot知识体系
Spring Boot是一个开源的Java框架，它简化了Spring应用的创建和部署过程。
自动配置
Spring Boot通过自动配置功能自动配置Spring应用程序，无需手动编写大量配置代码。
@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Spring应用程序。在扫描过程中，Spring Boot会查找匹配的配置类，并将它们注册到Spring容器中。这些配置类通常会使用条件注解（@Conditional）来根据特定条件动态启用或禁用自动配置。
条件化配置（@Conditional）
条件化配置允许根据特定条件动态启用或禁用自动配置。条件注解包括：
- @ConditionalOnClass：当类路径下存在指定的类时，启用自动配置。
- @ConditionalOnBean：当Spring容器中存在指定的Bean时，启用自动配置。
- @ConditionalOnMissingBean：当Spring容器中不存在指定的Bean时，启用自动配置。
- @ConditionalOnProperty：当配置文件中存在指定的属性值时，启用自动配置。
自定义Starter开发
自定义Starter可以帮助开发者快速集成第三方库。自定义Starter通常包含以下步骤：
- 创建一个Maven项目，并添加Spring Boot依赖。
- 创建一个自动配置类，用于实现自动配置逻辑。
- 将自动配置类打包到jar包中，并使用Maven的Starter插件将其打包为Starter。
起步依赖
起步依赖是一组预定义的依赖，可以简化依赖管理。起步依赖通常以spring-boot-starter-开头，例如spring-boot-starter-web、spring-boot-starter-data-jpa等。
依赖管理机制（BOM文件）
BOM（Bill of Materials）文件用于管理项目中的所有依赖版本，避免版本冲突。BOM文件通常使用Maven的BOM插件生成。
版本冲突解决
解决版本冲突的方法包括使用依赖传递、依赖排除和依赖覆盖等。
- 依赖传递：当项目中存在多个依赖存在版本冲突时，可以使用依赖传递来解决冲突。
- 依赖排除：在依赖声明中使用排除机制，排除指定版本的依赖。
- 依赖覆盖：在依赖声明中使用覆盖机制，覆盖指定版本的依赖。
第三方库集成模式
第三方库集成模式包括声明式集成和编程式集成。
- 声明式集成：使用Spring Boot的自动配置功能，将第三方库集成到Spring应用程序中。
- 编程式集成：使用Spring的编程模型，手动集成第三方库。
Actuator
Spring Boot Actuator提供了运行时监控和管理Spring应用程序的能力。
健康检查端点
健康检查端点允许开发者检查应用程序的健康状态。健康检查端点通常使用@HealthIndicator注解或@Health注解来定义。
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。度量指标收集通常使用Micrometer库来实现。
自定义Endpoint开发
自定义Endpoint允许开发者扩展Actuator的功能。自定义Endpoint通常使用@Endpoint注解或@RestControllerAdvice注解来定义。
配置文件管理
Spring Boot使用配置文件来管理应用程序的配置。
多环境配置（application-{profile}.yml）
多环境配置允许根据不同的环境（如开发、测试、生产）使用不同的配置文件。通常，使用Spring profiles来管理多环境配置。
配置加载优先级
配置加载优先级决定了配置文件的加载顺序。通常，Spring Boot会按照以下顺序加载配置文件：
application.yml或application.propertiesbootstrap.yml或bootstrap.propertiesapplication-{profile}.yml或application-{profile}.properties
动态配置刷新
动态配置刷新允许在运行时动态更新配置。动态配置刷新通常使用Spring Cloud Config或Spring Cloud Bus来实现。
监控与日志
Spring Boot提供了集成监控和日志的机制。
Micrometer集成
Micrometer允许开发者将性能数据发送到不同的监控系统中，如Prometheus、Grafana等。
Logback/SLF4J配置
Logback和SLF4J是日志框架，Spring Boot提供了集成和配置的支持。Spring Boot默认使用Logback作为日志框架。
分布式链路追踪
Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin和Jaeger。
自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点
自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点允许开发者扩展Spring Boot的自动配置过程。自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点通常使用@ConditionalOnMissingBean注解或@Bean注解来实现。
响应式编程支持
Spring Boot支持响应式编程，如Spring WebFlux。响应式编程允许开发者以异步的方式处理数据，提高应用程序的性能。
通过以上对JVM和Spring Boot知识体系的详细描述，我们可以看到这两个技术在Java生态系统中的重要性。JVM负责Java程序的运行时环境，而Spring Boot则简化了Spring应用程序的开发和部署。这两个技术的结合为Java开发者提供了强大的工具和平台，以构建高性能、可扩展的应用程序。
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