JVM与Spring Boot知识精要

📕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

1. 类加载机制

类加载过程：

• 加载：类加载器首先通过类名找到类的字节码文件，然后通过类加载器中的定义的类加载机制将字节码文件读入内存。这个过程涉及到文件系统操作，如使用java.io.FileInputStream读取类文件。
• 连接：连接阶段包括验证、准备和解析三个子阶段。验证过程确保类文件的字节码结构符合JVM规范，解析过程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<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。

双亲委派模型：

• 在双亲委派模型中，类加载器首先请求其父类加载器加载类，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。

自定义类加载器：

• 自定义类加载器通常通过继承ClassLoader类或实现ClassLoader接口来实现。在实现过程中，需要重写findClass方法来指定如何查找和加载类的字节码文件。

模块化系统（JPMS）：

• JPMS通过模块描述文件module-info.java来定义模块的依赖关系和模块提供的API。模块化系统使用模块路径来定位模块，而不是传统的类路径。

2. 内存模型

运行时数据区：

• 堆：堆内存是所有类实例和数组的存储区域，它通过java.lang.ref.WeakReference、java.lang.ref.SoftReference、java.lang.ref.PhantomReference等引用类型与垃圾回收器交互。
• 栈：栈内存用于存储局部变量和方法调用栈，每个线程都有自己的栈内存。
• 方法区：方法区存储类信息、常量、静态变量等，它是所有线程共享的。
• PC寄存器：PC寄存器用于存储当前线程所执行的指令的地址，是线程私有的。

3. 内存溢出场景分析

堆溢出：

• 堆溢出通常发生在创建大量对象时，如使用new关键字不断创建对象，导致堆空间不足。

栈溢出：

• 栈溢出通常发生在递归调用过深时，如递归函数调用层次过多，导致栈空间不足。

方法区溢出：

• 方法区溢出可能由于类定义过多或类信息过大，如使用过多的自定义类或者过大的字符串常量池。

4. 垃圾回收

GC Roots可达性分析：

• GC Roots是垃圾回收算法中的一个概念，它包括线程栈中的引用变量、静态变量、常量池等。垃圾回收器通过GC Roots来追踪对象的生命周期。

分代收集理论：

• 分代收集理论将堆内存分为新生代和老年代，新生代用于存放新创建的对象，老年代用于存放存活时间较长的对象。

引用类型：

• 强引用是最常见的引用类型，它表示对象对垃圾回收器没有影响。软引用和弱引用在内存不足时可以被垃圾回收器回收，而虚引用则是一个指向对象的弱引用，它本身不增加对象的引用计数。

垃圾回收算法：

• 标记-清除算法是最基础的垃圾回收算法，它分为标记和清除两个阶段。复制算法将内存分为两个相等的区域，每次只使用其中一个区域，当这个区域满了之后，将存活的对象复制到另一个区域，然后清除原来的区域。

并发收集器：

• 并发收集器在执行垃圾回收时尽量减少对应用程序的干扰，如CMS收集器在标记阶段与应用程序并发执行，减少停顿时间。

5. 性能调优

JVM参数配置：

• 通过配置JVM启动参数，如-Xms和-Xmx来调整堆内存大小，以及-XX:+UseG1GC来指定使用G1垃圾回收器。

内存泄漏诊断：

• 使用内存分析工具，如VisualVM或JProfiler，可以诊断内存泄漏问题，如对象引用链分析、内存快照等。

JIT编译优化：

• JIT编译器通过即时编译技术将字节码转换为机器码，从而提高程序的执行效率。JIT编译器会根据程序的运行情况进行优化，如内联、循环展开等。

二、Spring Boot知识体系

1. 自动配置

@EnableAutoConfiguration原理：

• Spring Boot通过SpringFactoriesLoader类加载类路径下META-INF/spring.factories文件中定义的自动配置类，然后通过@Conditional注解的条件判断来决定是否启用自动配置。

条件化配置（@Conditional）：

• @Conditional注解允许根据特定的条件来启用或禁用配置，如@ConditionalOnClass、@ConditionalOnMissingBean等。

自定义Starter开发：

• 自定义Starter需要创建一个包含自动配置类的jar包，并在META-INF/spring.factories文件中注册自动配置类。

2. 起步依赖

依赖管理机制：

• Spring Boot使用Maven或Gradle来管理项目依赖，通过在pom.xml或build.gradle文件中定义依赖关系和版本号。

版本冲突解决：

• 通过合理配置依赖关系和版本号来解决版本冲突，如使用<dependencyManagement>标签来指定依赖的版本。

3. 第三方库集成模式

• 在Spring Boot中集成第三方库，通常通过添加相应的起步依赖来实现，这些起步依赖通常包含自动配置类和第三方库的依赖。

4. Actuator

健康检查端点：

• Spring Boot Actuator提供了一系列端点来检查应用的健康状态，如/health端点。

度量指标收集：

• Spring Boot Actuator可以收集应用的各种指标，如内存使用、数据库连接数等，并通过JMX、Prometheus等方式导出。

自定义Endpoint开发：

• 可以通过实现Endpoint接口或使用@RestController注解来开发自定义的端点。

5. 配置文件管理

多环境配置：

• Spring Boot支持多环境配置，通过application-{profile}.yml文件来定义不同环境下的配置。

配置加载优先级：

• Spring Boot按照一定的优先级加载配置文件，如bootstrap.properties的优先级高于application.properties。

动态配置刷新：

• Spring Boot支持动态刷新配置，通过@RefreshScope注解或使用Spring Cloud Bus来实现。

6. 监控与日志

Micrometer集成：

• Micrometer是一个度量指标收集库，Spring Boot可以集成Micrometer来收集和导出指标。

Logback/SLF4J配置：

• Spring Boot默认使用Logback作为日志框架，可以通过配置Logback的XML文件或使用SLF4J的API来配置日志。

7. 分布式链路追踪

• Spring Boot支持分布式链路追踪，如集成Zipkin或Jaeger来实现分布式追踪。

8. 扩展机制

自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点：

• 可以通过实现AutoConfigurationImportSelector接口或使用@Import注解来扩展AutoConfigurationBean的生命周期。

响应式编程支持：

• Spring Boot支持响应式编程模型，如Spring WebFlux，它使用Reactor库来实现非阻塞的异步编程。

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