📕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
类加载机制
在Java虚拟机(JVM)中,类加载机制是确保Java代码正确运行的关键环节。它涉及到以下几个核心概念:
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类加载器:作为JVM的核心组件,类加载器负责将类文件从文件系统或网络中加载到JVM中。Java虚拟机中的类加载器大致可以分为四类:启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)、扩展类加载器(Extension ClassLoader)、应用程序类加载器(Application ClassLoader)和用户自定义类加载器(User-Defined ClassLoader)。启动类加载器负责加载JVM自身所携带的库,扩展类加载器负责加载JDK中的扩展库,应用程序类加载器负责加载用户类路径上的应用程序库,而用户自定义类加载器则允许开发者自定义类加载逻辑。
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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派给父类加载器去尝试加载类,只有当父类加载器无法完成加载任务时,才由自己来加载。这种机制有助于防止类的重复加载,同时也保证了类型的安全。
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自定义类加载器:在特定的场景下,如模块化系统或实现某些特定功能时,开发者需要创建自定义类加载器。自定义类加载器允许开发者控制类的加载过程,实现类的动态加载、隔离等。
类加载过程
类加载过程包括以下三个主要阶段:
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加载:在这一阶段,类加载器会加载类的二进制数据,并将其存储在方法区中。加载过程通常涉及以下步骤:确定类的全限定名、加载类的定义、读取类文件的二进制数据。
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连接:连接阶段包括验证、准备和解析三个子阶段。
- 验证:验证阶段确保类的正确性,包括类文件格式验证、字节码验证、符号引用验证等。
- 准备:准备阶段为类变量分配内存,并设置默认值。
- 解析:解析阶段将类、接口、字段和方法的符号引用替换为直接引用。
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初始化:初始化阶段是类加载的最后一步,也是最重要的步骤。它负责执行类构造器( ()),初始化类变量,完成一些特殊的类初始化操作。
模块化系统(JPMS)
Java Platform Module System(JPMS)是Java 9引入的模块化系统,旨在提高Java程序的安全性、可移植性和性能。JPMS允许将Java应用程序分解为模块,模块是Java代码的独立单元,具有明确的依赖关系。
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模块定义:每个模块都包含一个模块描述文件(module-info.java),用于定义模块的名称、版本、依赖关系、公开的包等。
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模块的解析和加载:模块的解析和加载过程由模块系统完成,它负责根据模块的依赖关系,将所需的模块加载到JVM中。
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模块的命名空间:模块具有独立的命名空间,这意味着不同模块中的类可以具有相同的简单名称。
内存模型
JVM的内存模型由以下运行时数据区组成:
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堆:堆是JVM中最大的内存区域,用于存储所有实例和数组对象。堆的内存分配是动态的,由垃圾回收器管理。
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栈:每个线程都有自己的栈,用于存储局部变量和方法调用信息。栈的内存分配是静态的,线程生命周期内不会发生变化。
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方法区:方法区用于存储运行时常量池、字段和方法信息等。方法区是全局共享的,多个线程可以访问同一个方法区。
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PC寄存器:每个线程都有一个PC寄存器,用于指向下一条要执行的指令。PC寄存器的内容决定了线程的执行流程。
内存溢出场景分析
内存溢出是Java程序中常见的问题,通常发生在以下场景:
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堆内存溢出:当应用程序创建大量对象,导致堆内存不足时,会出现堆内存溢出。解决方法包括增加堆内存大小、优化对象创建策略、使用弱引用或软引用等。
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栈内存溢出:当递归调用或方法调用栈过深时,会出现栈内存溢出。解决方法包括优化代码结构、增加栈大小等。
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方法区溢出:当大量类定义导致方法区内存不足时,会出现方法区溢出。解决方法包括优化类加载策略、增加方法区大小等。
垃圾回收
垃圾回收(GC)是JVM自动管理内存的重要机制,其主要目标是回收不再使用的对象占用的内存空间。
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GC Roots可达性分析:GC Roots是一组特定的对象,包括方法区中的常量池引用、栈中的引用变量、本地方法栈中的引用变量等。GC过程从GC Roots开始,通过一系列引用关系,找到所有可达的对象,不可达的对象将被回收。
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分代收集理论:分代收集理论将对象分为新生代(Young)和老年代(Old),分别采用不同的回收策略。新生代采用复制算法或标记-清除算法,老年代采用标记-清除算法或标记-整理算法。
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引用类型:Java中的引用类型包括强引用、软引用、弱引用和虚引用。不同类型的引用对垃圾回收有不同的影响,如强引用不会被垃圾回收器回收,而软引用和弱引用可以被回收。
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垃圾回收算法:垃圾回收算法有多种,包括标记-清除、复制、标记-整理、标记-压缩等。每种算法都有其优缺点,适用于不同的场景。
并发收集器
JVM提供了多种并发收集器,如CMS(Concurrent Mark Sweep)和G1(Garbage-First),它们旨在减少垃圾回收的停顿时间。
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CMS收集器:CMS收集器是一种并发标记清除算法,它通过多个线程并行进行垃圾回收,减少停顿时间。
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G1收集器:G1收集器是一种基于Region的垃圾回收算法,它将堆内存划分为多个大小相等的Region,通过并行扫描、并发标记和回收Region来减少停顿时间。
停顿时间控制策略
JVM提供了多种策略来控制垃圾回收的停顿时间,如调整堆大小、使用不同的收集器等。
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调整堆大小:通过调整堆大小,可以控制垃圾回收的停顿时间。较小的堆可能导致频繁的垃圾回收,而较大的堆可能导致较长的停顿时间。
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使用不同的收集器:不同的收集器具有不同的停顿时间特性,可以根据应用程序的需求选择合适的收集器。
性能调优
性能调优是优化Java应用程序性能的关键环节,主要包括以下方面:
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调整JVM参数:通过调整JVM参数,如堆大小、垃圾回收策略等,可以优化应用程序的性能。
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监控和诊断内存泄漏:内存泄漏会导致应用程序性能下降,甚至崩溃。通过监控和诊断内存泄漏,可以及时修复问题,提高应用程序的性能。
二、Spring Boot知识体系
自动配置
Spring Boot的自动配置功能是框架的核心特性之一,它允许框架根据类路径下添加的jar依赖自动配置Spring应用程序。
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@EnableAutoConfiguration:通过在应用程序的入口类上添加@EnableAutoConfiguration注解,Spring Boot会自动配置相关的Bean。自动配置过程基于条件化配置,即根据特定的条件启用或禁用配置。
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条件化配置(@Conditional):条件化配置允许根据特定条件启用或禁用配置。例如,当应用程序包含Redis依赖时,Spring Boot会自动配置RedisTemplate。
自定义Starter开发
Spring Boot允许开发者创建自定义Starter,以便将库的依赖和配置封装在一起。
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Starter的创建:自定义Starter通常包含以下组件:一个Maven项目、一个或多个jar依赖、一个或多个配置类、一个或多个自动配置类。
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Starter的配置:自定义Starter的配置通常使用Spring Boot的自动配置机制,根据依赖关系自动配置Bean。
起步依赖
起步依赖是Spring Boot提供的预配置的依赖管理机制,它简化了依赖的添加和版本冲突的解决。
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起步依赖的添加:在Spring Boot项目的pom.xml文件中,通过添加起步依赖,可以快速添加所需的依赖库。
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版本冲突的解决:起步依赖会自动解决版本冲突问题,确保应用程序的稳定性。
第三方库集成模式
Spring Boot支持多种第三方库的集成模式,包括声明式集成和编程式集成。
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声明式集成:声明式集成是通过添加起步依赖或配置文件来实现第三方库的集成。
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编程式集成:编程式集成是通过编写代码来实现第三方库的集成。
Actuator
Spring Boot Actuator提供了健康检查、度量指标收集和自定义端点等功能。
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健康检查:健康检查可以监控应用程序的健康状态,包括HTTP端点和JMX端点。
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度量指标收集:度量指标收集可以收集应用程序的性能指标,如内存使用情况、CPU使用情况等。
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自定义端点:自定义端点可以扩展Spring Boot Actuator的功能,实现特定的监控需求。
配置文件管理
Spring Boot使用配置文件来管理应用程序的配置,支持多环境配置和动态配置刷新。
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多环境配置:Spring Boot支持多环境配置,如开发环境、测试环境和生产环境。
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动态配置刷新:Spring Boot支持动态配置刷新,即在应用程序运行期间,可以更新配置并立即生效。
监控与日志
Spring Boot提供了多种监控和日志配置选项,包括Micrometer和Logback/SLF4J。
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监控:Spring Boot支持多种监控工具,如Micrometer、Prometheus、Grafana等。
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日志:Spring Boot支持多种日志框架,如Logback、Log4j2、SLF4J等。
分布式链路追踪
Spring Boot支持分布式链路追踪,如Zipkin和Jaeger。
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Zipkin:Zipkin是一个开源的分布式追踪系统,它可以帮助开发者追踪分布式系统的调用链路。
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Jaeger:Jaeger是一个开源的分布式追踪系统,它提供了丰富的功能,如数据存储、可视化等。
扩展机制
Spring Boot允许通过自定义AutoConfigurationBean和生命周期扩展点来扩展框架的功能。
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自定义AutoConfigurationBean:自定义AutoConfigurationBean可以扩展Spring Boot的功能,如添加新的Bean、修改现有的Bean等。
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生命周期扩展点:生命周期扩展点可以扩展Spring Boot的生命周期,如在应用程序启动前或停止后执行特定的操作。
响应式编程支持
Spring Boot支持响应式编程,通过Reactor和Project Reactor等库实现。
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Reactor:Reactor是一个响应式编程库,它提供了异步、非阻塞的事件流处理机制。
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Project Reactor:Project Reactor是Reactor的官方实现,它提供了响应式编程的API和工具。
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在Java生态系统中的重要性。JVM作为Java程序运行的基础,提供了强大的运行时环境;而Spring Boot则通过自动化和简化配置,让开发者能够更高效地构建和部署Java应用程序。这两个技术的结合,使得Java开发更加高效和便捷。
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