JVM与Spring Boot深度解析

📕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

在JVM中，类加载机制是确保每个类仅被加载一次的关键过程。这一过程涉及到多个阶段的细致操作：

• 加载阶段：在这一阶段，JVM的类加载器会读取类定义的二进制数据，通常是.class文件，并将其存储在运行时数据区的永久代（在Java 8及之后版本中称为元空间）中。这个过程涉及到读取类的文件结构、校验文件结构的正确性、准备类的静态变量和解析类中的符号引用。

• 验证阶段：在连接阶段之前，JVM会对类的结构进行验证，确保没有违反Java语言规范的地方。验证过程包括对字节码指令、字节码流格式、数据类型和访问权限的验证。

• 准备阶段：为类变量分配内存，并设置默认初始值。对于基本数据类型，默认初始值是0；对于对象类型，默认初始值是null。

• 解析阶段：将类、接口、字段和方法的符号引用转换为直接引用，即将符号引用指向对应的类、接口、字段或方法。

• 初始化阶段：执行类定义中的<clinit>()方法，这个过程是初始化类变量和静态初始化块。

双亲委派模型

双亲委派模型确保了Java类的唯一性，并且通过这种方式来防止类加载器之间的冲突：

• 启动类加载器：它负责加载<JAVA_HOME>/lib目录中的核心API，如rt.jar。

• 扩展类加载器：它负责加载<JAVA_HOME>/lib/ext目录中的库，或者由系统属性java.ext.dirs指定的目录中的类库。

• 应用程序类加载器：它负责加载用户类路径（Classpath）上的类库。

当需要加载一个类时，应用程序类加载器会首先请求扩展类加载器加载，如果扩展类加载器无法加载，则请求启动类加载器加载。

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，这在实现如热部署等特定功能时非常有用。实现自定义类加载器通常需要继承ClassLoader类或实现ClassLoader接口，并重写findClass方法。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）为Java带来了模块化概念，它允许将应用程序分解成多个模块，以实现更好的隔离性和可维护性：

• 模块定义：每个模块都包含一个module-info.java文件，该文件定义了模块的依赖关系、导出包、开放包等。

• 模块版本：模块可以通过版本号来控制兼容性，避免因为模块更新导致的不兼容问题。

内存模型

JVM的内存模型包括多个区域，每个区域都有其特定的用途：

• 堆：作为Java对象的主要存储区域，堆内存是动态分配的。

• 栈：每个线程都有自己的栈内存，用于存储局部变量和执行栈。

• 方法区：存储类信息、常量、静态变量等。

• PC寄存器：每个线程都有一个PC寄存器，用于存储当前线程正在执行的指令地址。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在以下场景：

• 堆内存溢出：由于创建了过多的对象或者对象生命周期过长，导致堆内存耗尽。

• 栈内存溢出：通常由于递归调用或方法调用栈过深导致。

• 方法区溢出：由于类定义过多或类定义过大导致。

垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动管理内存的一种机制：

• GC Roots可达性分析：从GC Roots开始，向上搜索可达的对象。

• 分代收集理论：将对象分为新生代和老年代，分别采用不同的回收策略。

• 引用类型：强引用、软引用、弱引用和虚引用对垃圾回收有不同的影响。

垃圾回收算法

常用的垃圾回收算法包括：

• 标记-清除算法：标记所有可达对象，然后清除未被标记的对象。

• 复制算法：将对象分为两个区域，每次只使用一个区域。

• 整理算法：在复制算法的基础上，对内存进行整理。

并发收集器

并发收集器可以在应用程序运行时进行垃圾回收：

• CMS（Concurrent Mark Sweep）：以减少停顿时间为目标。

• G1（Garbage-First）：以停顿时间为目标，同时兼顾吞吐量。

• ZGC（Z Garbage Collector）：以低延迟为目标，适用于多核处理器。

停顿时间控制策略

停顿时间控制策略包括：

• 最大停顿时间：设置最大停顿时间，GC会尽量不超过这个时间。

• 吞吐量：设置GC的吞吐量，即CPU用于垃圾回收的时间与总运行时间的比例。

性能调优

性能调优包括以下几个方面：

• JVM参数配置：通过设置JVM参数来优化性能。

• 内存泄漏诊断：通过工具检测内存泄漏，并及时修复。

• JIT编译优化：JIT编译器会对热点代码进行优化。

Spring Boot知识体系

自动配置

Spring Boot通过自动配置功能简化了Spring应用的创建和配置过程：

• @EnableAutoConfiguration：通过扫描类路径下的jar包，根据类路径下的类和配置文件，自动配置相应的Bean。

• 条件化配置（@Conditional）：根据特定条件，有选择地配置Bean。

自定义Starter开发

自定义Starter可以方便地集成第三方库或自定义功能：

• 创建Maven项目：创建一个Maven项目，并添加必要的依赖。

• 编写自动配置类：实现自动配置逻辑。

• 创建Starter的元数据文件：定义Starter的依赖关系和自动配置类。

起步依赖

起步依赖是一组预先配置好的依赖，用于简化Spring Boot应用的创建：

• 选择合适的起步依赖：在创建Spring Boot项目时，可以选择合适的起步依赖。

依赖管理机制

Spring Boot使用Maven或Gradle作为构建工具，通过BOM（Bill of Materials）文件来管理依赖版本：

• BOM文件：定义了依赖的版本，避免版本冲突。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式：

• Starter依赖：通过添加起步依赖来集成第三方库。

• 自动配置：通过自动配置类来集成第三方库。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了一系列端点，用于监控和管理Spring Boot应用：

• 健康检查端点：用于检查应用的健康状态。

• 度量指标收集端点：用于收集应用性能指标。

• 自定义Endpoint开发：可以自定义Endpoint来满足特定需求。

配置文件管理

Spring Boot使用配置文件来管理应用配置：

• application.yml：默认配置文件。

• application.properties：另一种配置文件格式。

• 多环境配置：针对不同环境的配置文件。

• 配置加载优先级：先加载application.yml，然后加载针对特定环境的配置文件。

动态配置刷新

Spring Boot支持动态配置刷新：

• 在应用运行时修改配置：允许在应用运行时修改配置并立即生效。

监控与日志

Spring Boot集成Micrometer进行监控，并支持Logback/SLF4J进行日志配置：

• Micrometer：用于监控和度量。

• Logback/SLF4J：用于日志配置。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪：

• Zipkin：用于跟踪分布式系统中的请求。

• Jaeger：用于跟踪分布式系统中的请求。

扩展机制

Spring Boot提供自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点：

• 自定义Bean的生命周期：允许开发者自定义Bean的生命周期。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程：

• Spring WebFlux：用于构建响应式Web应用。

通过以上对JVM和Spring Boot知识体系的详细描述，我们可以看到这两个技术在Java应用开发中的重要性。在实际开发过程中，我们需要深入了解并掌握这些知识点，以提高应用性能和开发效率。同时，通过举一反三，我们可以将这些知识点应用到其他场景中，为Java应用开发提供更好的解决方案。

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