JVM & Spring Boot知识精讲

📕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）之前，我们需要构建一个全面的JVM知识体系。这将包括类加载机制、类加载过程、内存模型、垃圾回收以及性能调优等方面。

类加载机制

Java程序的运行始于类加载，这是JVM的第一步。类加载机制负责将类文件（.class）加载到JVM中，以便它们可以被运行时环境使用。

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：JVM加载类信息，包括类的字节码和静态属性。在加载过程中，JVM会解析类文件中的常量池，确定类的全限定名，并加载类定义信息。

• 连接：连接过程分为三个步骤，包括验证、准备和解析。

  • 验证：验证类文件结构是否正确，确保类文件遵循Java虚拟机规范，防止恶意代码破坏JVM安全。
  • 准备：为类变量分配内存，并设置初始值。对于基本数据类型，如int，初始值为0；对于引用类型，初始值为null。
  • 解析：将符号引用替换为直接引用，如将类名替换为类对象引用。

• 初始化：初始化类的静态变量，执行静态代码块和静态初始化器。初始化过程遵循类继承关系，先初始化父类，再初始化子类。

双亲委派模型

双亲委派模型是Java类加载机制的核心。在加载类时，JVM会先询问父加载器是否已经加载了该类，如果没有，再由父加载器尝试加载，直到根加载器（Bootstrap ClassLoader）。这种模型有助于避免类的重复加载，同时保证了核心API的稳定性。

自定义类加载器

在实际应用中，有时需要自定义类加载器来加载特定的类，如模块化系统（JPMS）。自定义类加载器可以通过继承ClassLoader类或实现ClassLoader接口来实现。在自定义类加载器中，可以重写findClass方法来加载特定的类文件。

模块化系统（JPMS）

模块化是Java 9引入的一项重要特性，它通过模块描述符（.mod文件）来组织类和资源，提高系统安全性和性能。模块化系统允许将类库、资源文件和配置文件组织成模块，并通过模块依赖关系来管理模块之间的依赖。

内存模型

JVM的内存模型包括以下几个区域：

• 运行时数据区：包括堆、栈、方法区和PC寄存器。
  • 堆：存储对象实例和数组。堆内存是JVM管理的最大内存区域，通常由操作系统分配。
  • 栈：存储局部变量和方法调用栈。每个线程都有自己的栈，栈内存大小在创建线程时确定。
  • 方法区：存储类信息、常量、静态变量等。方法区是JVM共享的内存区域，通常由操作系统分配。
  • PC寄存器：存储当前执行线程的方法调用指令指针。PC寄存器是每个线程的私有数据。

内存溢出场景分析

内存溢出是指程序使用的内存超过可用内存限制。常见的溢出场景包括：

• 无限循环导致的内存占用：在循环中创建大量对象，导致内存占用不断增加，最终引发内存溢出。
• 大型数据结构导致内存消耗过大：如大数据量集合、大数据量缓存等。
• 垃圾回收机制失效：垃圾回收器无法正确回收不再使用的内存，导致内存占用不断增加。

垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动回收不再使用的内存。它通过以下步骤进行：

GC Roots可达性分析

GC Roots是垃圾回收的起点，包括栈帧中的局部变量、方法区中的静态变量和常量等。JVM通过遍历GC Roots，找到所有可达对象，并标记为存活对象。

分代收集理论

JVM将内存分为多个代，如新生代（Young）和老年代（Old），以便更高效地进行垃圾回收。新生代主要用于存储新创建的对象，老年代用于存储存活时间较长的对象。

引用类型

Java中的引用类型包括强、软、弱和虚引用。

• 强引用：最常用的引用类型，表示对象正在被使用。
• 软引用：表示对象可能被回收，但不是必须回收。
• 弱引用：表示对象可以被回收，但回收时需要考虑引用关系。
• 虚引用：表示对象已被回收，仅保留对象引用。

垃圾回收算法

常见的垃圾回收算法包括标记-清除、复制和整理算法。

• 标记-清除算法：遍历所有对象，标记可达对象，然后清除不可达对象。
• 复制算法：将对象分为两半，每次只使用一半，当一半空间用完时，将存活对象复制到另一半空间。
• 整理算法：在标记-清除算法的基础上，对存活对象进行整理，提高内存利用率。

并发收集器

并发收集器如CMS（Concurrent Mark Sweep）和G1（Garbage-First）旨在减少停顿时间。并发收集器在垃圾回收过程中允许应用程序继续运行，从而降低停顿时间。

停顿时间控制策略

停顿时间控制策略如自适应大小和动态调整目标停顿时间，旨在优化垃圾回收过程。自适应大小根据内存使用情况动态调整堆大小，动态调整目标停顿时间根据实际停顿时间动态调整垃圾回收策略。

性能调优

JVM性能调优涉及以下几个方面：

• JVM参数配置：如-Xms、-Xmx等。JVM参数配置可以影响堆大小、垃圾回收策略等。
• 内存泄漏诊断：通过分析堆转储和内存快照来诊断内存泄漏。常用的工具包括JProfiler、MAT（Memory Analyzer Tool）等。
• JIT编译优化：JVM通过即时编译优化代码执行效率。常用的JIT编译器包括C1、C2等。

二、Spring Boot知识体系

Spring Boot是一个基于Spring框架的微服务框架，它简化了Spring应用的创建和配置。

自动配置

Spring Boot的核心特性之一是自动配置，它能够根据类路径下的类和jar包自动配置Bean。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解是自动配置的入口。它通过条件化配置（@Conditional）来选择合适的配置类。

条件化配置（@Conditional）

条件化配置允许在满足特定条件时才应用配置。常用的条件化配置注解包括：

• @ConditionalOnClass：当指定的类存在时，才应用配置。
• @ConditionalOnMissingClass：当指定的类不存在时，才应用配置。
• @ConditionalOnBean：当指定的Bean存在时，才应用配置。
• @ConditionalOnMissingBean：当指定的Bean不存在时，才应用配置。

自定义Starter开发

自定义Starter可以让其他开发者更容易地使用你的库。自定义Starter通常包含以下步骤：

1. 创建Maven项目，添加Spring Boot依赖。
2. 编写自动配置类，实现自动配置逻辑。
3. 编写Starter POM，将自动配置类和依赖打包成Starter。
4. 发布Starter到Maven中央仓库。

起步依赖

起步依赖是Spring Boot的核心特性之一，它简化了依赖管理。

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，避免版本冲突。BOM文件包含所有依赖的版本信息，确保在不同环境中使用相同的版本。

版本冲突解决

Spring Boot通过自动升级依赖的版本来解决这个问题。当依赖存在冲突时，Spring Boot会尝试找到合适的版本，并自动升级冲突的依赖。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式，如自动配置、Starter POM和依赖注入。

• 自动配置：Spring Boot会自动配置第三方库，如数据库连接、缓存等。
• Starter POM：Starter POM包含第三方库的依赖和自动配置类，简化了依赖管理和配置。
• 依赖注入：Spring Boot支持依赖注入，可以将第三方库的对象注入到Spring容器中。

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。

健康检查端点

健康检查端点允许我们检查应用的健康状态。常用的健康检查端点包括/health、/health/liveness和/health/readiness。

度量指标收集

度量指标收集允许我们监控应用的性能。Spring Boot集成了Micrometer度量指标库，支持多种度量指标收集器，如Prometheus、Grafana等。

自定义Endpoint开发

自定义Endpoint允许我们扩展Actuator的功能。自定义Endpoint可以通过实现Endpoint接口或使用@Endpoint注解来实现。

配置文件管理

Spring Boot使用配置文件来管理应用的配置。

多环境配置

Spring Boot支持多环境配置，如application-{profile}.yml。通过配置文件名称中的{profile}，可以指定不同的配置文件，实现多环境配置。

配置加载优先级

配置文件的加载优先级取决于其名称。配置文件名称中包含-profile的配置文件优先级高于不包含-profile的配置文件。

动态配置刷新

Spring Boot允许动态刷新配置。动态刷新配置可以通过@RefreshScope注解或使用Spring Cloud Config来实现。

监控与日志

Spring Boot提供了多种监控和日志配置选项。

Micrometer集成

Micrometer是一个度量指标库，Spring Boot与之集成。Micrometer支持多种度量指标收集器，如Prometheus、Grafana等。

Logback/SLF4J配置

Spring Boot支持Logback和SLF4J日志框架。可以通过配置文件或Java代码来配置日志级别、日志格式等。

分布式链路追踪扩展机制

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

Spring Boot允许自定义AutoConfigurationBean的生命周期扩展点。自定义AutoConfigurationBean的生命周期扩展点可以通过实现AutoConfigurationImportListener接口或使用@AutoConfigureBefore注解来实现。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，如WebFlux。WebFlux是基于Reactor的响应式Web框架，支持异步和非阻塞编程模型。

通过以上知识点的串联，我们可以更深入地理解JVM和Spring Boot的工作原理和最佳实践。这不仅有助于我们构建高性能、可扩展的Java应用，还为我们提供了扩展和优化现有系统的方法。

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