JVM与Spring Boot核心解析-优快云博客

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📘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

JVM的类加载机制是一个复杂的系统，它不仅负责将类文件加载到JVM中，还涉及到类的验证、准备、解析和初始化等多个环节。在类加载过程中，JVM会确保类文件的字节码是安全的，并且符合Java虚拟机的规范。

（1）加载：这个过程涉及到类加载器的查找和加载。类加载器是负责查找和加载类的组件，它可以是启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）、扩展类加载器（Extension ClassLoader）或应用程序类加载器（Application ClassLoader）。启动类加载器负责加载JVM自身运行时所需的库，扩展类加载器加载JVM的扩展库，而应用程序类加载器则负责加载应用程序的类。

（2）验证：验证过程确保加载的类文件符合Java语言规范，包括字节码的校验、符号引用的验证等。这个过程可以防止恶意代码对JVM的攻击。

（3）准备：为类变量分配内存，并设置默认值。这个过程不涉及对象实例的创建，只针对类变量。

（4）解析：将符号引用转换为直接引用，包括字段、方法、接口等的解析。

（5）初始化：执行类构造器方法，完成类的初始化。这个过程可以由程序员通过代码显式调用构造器或者由JVM自动完成。

类加载过程

类加载过程可以分为加载、验证、准备、解析和初始化五个阶段。每个阶段都有其特定的任务和目的，确保类文件被正确加载和执行。

（1）加载：类加载器首先尝试从类路径中查找指定的类文件，如果找不到，则抛出ClassNotFoundException。

（2）验证：JVM对加载的类文件进行验证，确保其安全性和正确性。

（3）准备：为类变量分配内存，并设置默认值。

（4）解析：将符号引用转换为直接引用。

（5）初始化：执行类构造器方法，完成类的初始化。

双亲委派模型

双亲委派模型是一种类加载策略，它要求子类加载器首先委托给父类加载器尝试加载类，只有当父类加载器无法加载时，子类加载器才会尝试加载。这种模型有助于避免类加载器之间的冲突，并确保JVM中只有一个版本的类。

自定义类加载器

自定义类加载器允许开发者实现特定的类加载逻辑，例如，加载特定格式的文件或从网络加载类。自定义类加载器需要继承ClassLoader类，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，它通过模块化的方式组织Java代码，提高了代码的可维护性和可扩展性。模块化系统将代码组织成模块，每个模块可以独立编译和部署，减少了依赖关系，提高了代码的隔离性。

二、内存模型

运行时数据区

JVM的运行时数据区包括堆、栈、方法区和PC寄存器等部分。

（1）堆：堆是JVM中最大的内存区域，用于存储几乎所有的对象实例和数组的内存区域。堆的内存分配是动态的，垃圾回收主要发生在堆上。

（2）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的内存区域。栈的内存分配是线程私有的，且是固定大小的。

（3）方法区：方法区存储类信息、常量、静态变量等数据。方法区的内存分配是固定的，且在JVM启动时就已经分配好了。

（4）PC寄存器：PC寄存器用于存储当前线程所执行的字节码的地址。每个线程都有自己的PC寄存器。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在以下场景：

（1）对象实例过多：在堆中创建大量对象实例，导致内存不足。

（2）数组过大：创建过大的数组，例如，一个包含数百万元素的数组。

（3）方法区溢出：类信息、常量、静态变量等过多，导致方法区内存不足。

直接内存管理

直接内存是指JVM在堆外分配的内存，用于存储大型数据集或频繁进行数据复制的场景。直接内存不受垃圾回收管理，因此需要手动管理其生命周期。

垃圾回收

垃圾回收是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。垃圾回收算法包括标记-清除、复制、整理等。

（1）GC Roots可达性分析：从GC Roots开始，向上遍历可达的对象，确定哪些对象是可达的。

（2）分代收集理论：将内存分为Young、Old等区域，针对不同区域采用不同的回收策略。

（3）引用类型：强、软、弱、虚等引用类型对垃圾回收的影响。

（4）垃圾回收算法：标记-清除、复制、整理等算法。

（5）并发收集器：CMS、G1、ZGC等并发收集器。

（6）停顿时间控制策略：降低停顿时间，提高系统性能。

（7）性能调优：JVM参数配置（Xms/Xmx等）、内存泄漏诊断、JIT编译优化等。

三、Spring Boot知识体系

自动配置

Spring Boot通过自动配置机制，根据项目的依赖关系和配置文件，自动配置项目所需的Bean。自动配置的核心是条件化配置，它根据特定的条件决定是否加载某个Bean。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解通过条件化配置实现自动配置。它通过扫描类路径下的所有配置类，并根据配置类上的条件注解（如@ConditionalOnClass、@ConditionalOnProperty等）来决定是否加载相应的Bean。

条件化配置（@Conditional）

条件化配置可以实现对特定条件下的Bean加载。例如，根据操作系统、环境变量等条件加载不同的Bean。

自定义Starter开发

自定义Starter可以方便地集成第三方库，提高项目可维护性。开发自定义Starter需要创建一个Maven项目，并添加必要的依赖和配置。

起步依赖

起步依赖是Spring Boot项目的基本依赖，它包含了项目运行所需的基本库。起步依赖通过Maven的依赖管理机制实现。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM文件用于统一管理项目依赖的版本，解决版本冲突问题。BOM文件中包含了所有依赖的版本信息，确保项目中的依赖版本一致。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式，例如，通过依赖注入、自动配置等方式集成。

Actuator

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、度量指标收集、自定义Endpoint开发等。

（1）健康检查端点：用于检查应用的健康状态。

（2）度量指标收集：用于收集应用的性能指标。

（3）自定义Endpoint开发：自定义端点，满足特定需求。

配置文件管理

Spring Boot支持多环境配置，通过application-{profile}.yml文件实现。配置文件管理允许开发者根据不同的环境配置不同的参数。

配置加载优先级

Spring Boot按照以下顺序加载配置文件：

（1）命令行参数

（2）操作系统环境变量

（3）应用外部配置文件（如application.yml）

（4）应用内部配置文件（如application.yml）

动态配置刷新

Spring Boot支持动态配置刷新，当配置文件发生变化时，自动刷新配置。这可以通过Spring Cloud Config Server实现。

监控与日志

Spring Boot集成了Micrometer、Logback/SLF4J等监控和日志组件。这些组件可以帮助开发者监控应用性能和日志管理。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，例如，Zipkin、Jaeger等。分布式链路追踪可以帮助开发者追踪跨服务的请求流程。

扩展机制

Spring Boot提供了丰富的扩展机制，例如，自定义AutoConfigurationBean、生命周期扩展点等。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，通过Spring WebFlux等组件实现。响应式编程可以提高系统的并发性能和可伸缩性。

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