JVM与Spring Boot知识体系

📕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Java语言运行时环境的核心，它确保了Java程序的类型安全。在类加载过程中，JVM会执行一系列的步骤来确保类的正确加载、链接和初始化。

1. 加载（Loading）：类加载器负责查找和加载类的字节码文件。在Java中，主要的类加载器包括启动类加载器（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<JAVA_HOME>/lib目录中的类库，扩展类加载器负责加载<JAVA_HOME>/lib/ext目录中的类库，应用类加载器负责加载用户类路径（Classpath）中的类。

2. 连接（Linking）：连接过程包括验证、准备和解析三个子过程。

   • 验证：确保加载的类信息符合JVM规范，包括字节码的完整性、符号引用的正确性等。
   • 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，初始值是0、false或null。
   • 解析：将符号引用转换为直接引用，例如将类、接口、字段和方法的符号引用转换为直接引用。

3. 初始化（Initialization）：初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程，这个方法由编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态代码块中的语句合并产生的。

类加载过程

类加载过程是一个复杂的过程，涉及到多个组件和步骤。以下是对类加载过程的详细描述：

• 加载：类加载器通过findClass方法查找类文件，然后通过defineClass方法将字节码数据转换成Class对象。
• 连接：连接过程包括验证、准备和解析三个子过程，如前所述。
• 初始化：执行类的<clinit>()方法，这个过程包括初始化静态变量、执行静态代码块等。

双亲委派模型

双亲委派模型是JVM中类加载器的一种委派策略，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。当一个类加载器收到类加载请求时，它会首先委派给父类加载器去加载，只有当父类加载器无法完成加载任务时，才自己去加载。

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加载类。自定义类加载器通常需要实现ClassLoader接口，并重写findClass方法。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一种模块化系统，它通过模块来组织代码，以提供更好的隔离性和性能。模块化系统将Java程序分解为独立的模块，每个模块都包含自己的类路径、资源路径和模块描述文件。

内存模型

JVM的内存模型分为以下部分：

• 运行时数据区：包括堆（Heap）、栈（Stack）、方法区（Method Area）和PC寄存器（PC Register）。
  • 堆：用于存储所有创建的对象实例和数组。
  • 栈：存储局部变量和方法调用的参数。
  • 方法区：存储已加载的类信息、常量、静态变量等。
  • PC寄存器：用于存储正在执行的线程所对应的字节码指令的地址。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在以下场景：

• 创建大对象，如ArrayList的过度扩展。
• 循环引用导致无法回收对象。
• 内存泄漏，如静态集合类未及时清理。

垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动管理内存的重要机制。以下是垃圾回收的关键概念：

• GC Roots可达性分析：从GC Roots开始，遍历所有可达对象，不可达的对象被视为垃圾。
• 分代收集理论：将对象分为新生代（Young）和老年代（Old）。
• 引用类型：包括强引用、软引用、弱引用和虚引用。
• 垃圾回收算法：标记-清除、复制、整理算法。
• 并发收集器：如CMS（Concurrent Mark Sweep）、G1（Garbage-First）和ZGC（Z Garbage Collector）。
• 停顿时间控制策略：如G1的停顿时间目标（STW）。
• 性能调优：通过JVM参数配置（如-Xms、-Xmx）进行性能调优。
• 内存泄漏诊断：使用工具如VisualVM、JProfiler等诊断内存泄漏。
• JIT编译优化：JVM通过即时编译（JIT）优化字节码执行效率。

Spring Boot知识体系

自动配置

Spring Boot的自动配置功能极大地简化了Spring应用程序的配置。它通过以下原理实现：

• @EnableAutoConfiguration：通过这个注解，Spring Boot自动查找并配置相应的Bean。它使用SpringFactoriesLoader来加载类路径下META-INF/spring.factories文件中定义的自动配置类。
• 条件化配置（@Conditional）：根据特定的条件决定是否配置某些Bean。例如，@ConditionalOnClass、@ConditionalOnMissingBean等。

自定义Starter开发

开发者可以通过创建自定义Starter来简化依赖管理。这通常涉及以下步骤：

• 创建Maven项目，添加Spring Boot的依赖。
• 编写一个配置类，通过@Configuration注解。
• 使用@Bean注解创建所需的Bean。
• 在pom.xml中添加spring-boot-starter依赖和自定义Starter依赖。
• 在META-INF/spring.factories文件中添加自动配置类的信息。

起步依赖

起步依赖（Starters）是Spring Boot提供的预配置依赖，它们将相关库的依赖关系简化为单一依赖。例如，spring-boot-starter-web提供了构建Web应用程序所需的依赖。

依赖管理机制

Spring Boot使用Maven的BOM（Bill of Materials）文件来管理依赖的版本，以解决版本冲突问题。BOM文件定义了所有依赖的版本，确保了构建过程中依赖的一致性。

第三方库集成

Spring Boot支持轻松集成第三方库。通常，这涉及到添加相应的起步依赖。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了一系列端点，用于监控和管理应用程序。以下是Actuator的关键功能：

• 健康检查端点：用于检查应用程序的健康状态，包括服务是否可用、数据库连接是否正常等。
• 度量指标收集：收集应用程序的性能数据，如内存使用情况、线程数等。
• 自定义Endpoint开发：允许开发者创建自定义端点，以提供更详细的监控信息。

配置文件管理

Spring Boot使用配置文件来管理应用程序的配置。以下是配置文件管理的关键概念：

• 多环境配置：通过application-{profile}.yml文件为不同环境提供不同的配置。例如，application-dev.yml用于开发环境，application-prod.yml用于生产环境。
• 配置加载优先级：Spring Boot会按照优先级加载配置文件。例如，application.yml的优先级高于application-dev.yml。
• 动态配置刷新：允许在运行时动态刷新配置，例如通过Spring Cloud Config Server。

监控与日志

Spring Boot使用Micrometer进行度量指标收集，并通过Logback/SLF4J进行日志配置。Micrometer支持多种度量收集器，如Prometheus、InfluxDB等。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin和Jaeger。链路追踪可以帮助开发者了解应用程序的请求流程，并定位性能瓶颈。

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实现。响应式编程允许应用程序以非阻塞的方式处理事件，提高应用程序的并发性能。

通过上述对JVM和Spring Boot知识体系的详细描述，我们可以看到这两个技术栈在设计和实现上的紧密联系。JVM为Spring Boot提供了运行时的环境，而Spring Boot则利用JVM的特性来简化开发流程。以下是对这些知识点的进一步串联和举一反三的思考：

• 在理解JVM的类加载机制时，我们可以联想到Spring Boot的自动配置原理，两者都涉及到对类信息的解析和加载。
• JVM的内存模型对于理解Spring Boot中配置文件的管理至关重要，因为配置文件的数据最终也会存储在内存中。
• JVM的垃圾回收机制对于Spring Boot应用程序的性能调优至关重要，因为不当的内存管理可能导致内存溢出或泄漏。
• Spring Boot的自动配置和自定义Starter开发与JVM的自定义类加载器有着相似的设计思想，都是通过动态配置来简化开发过程。
• Spring Boot的Actuator端点与JVM的监控和性能调优工具（如VisualVM）有着相似的用途，都是用于监控应用程序的状态和性能。

通过这种方式，我们可以将JVM和Spring Boot的知识点串联起来，形成一个完整的知识体系，从而在学习和应用中达到举一反三的效果。

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