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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JVM知识体系

类加载机制

Java虚拟机（JVM）中的类加载机制是实现Java动态性、灵活性的关键组成部分。它负责在运行时将类信息加载到JVM中，并确保类在JVM中的正确性和安全性。类加载过程涉及多个阶段，每个阶段都有其特定的功能和目的。

加载：这一阶段主要涉及类定义的加载，即从.class文件读取类的二进制数据，并创建类的Class对象。在这个过程中，JVM会解析类文件的各个部分，包括字段、方法、接口等信息，并将其存储在Class对象中。这一过程通常由ClassLoader负责执行。
连接：连接阶段是类加载的中间步骤，主要分为验证、准备和解析三个子阶段。
- 验证：确保类文件的正确性和安全性。这个过程会检查类的结构是否符合Java语言规范，包括访问权限、字节码的正确性等。
- 准备：为类变量分配内存，并设置初始值。对于静态变量，这里的初始值通常为0值，对于布尔和字符类型，则为其默认值。
- 解析：将类、接口、字段和方法的符号引用转换为直接引用。这个过程通常在虚拟机启动时完成，也可能在运行时进行。
初始化：初始化阶段是类加载过程的最后一步，负责执行类的初始化代码。这包括为静态变量赋值、执行静态代码块以及初始化父类等。

双亲委派模型

双亲委派模型是JVM类加载机制的一个重要设计原则，它规定了一个类的加载顺序，确保了类型安全。

当一个类需要被加载时，首先由它的父加载器尝试加载，如果父加载器无法加载，则由子加载器尝试加载。
这种委托机制有助于避免类的重复加载，同时也保证了类型安全，因为核心API的类始终由启动类加载器加载，其他类加载器不会加载这些核心类。

自定义类加载器：尽管双亲委派模型有其优势，但在某些场景下，可能需要自定义类加载器来实现特定的加载需求。

自定义类加载器可以通过继承ClassLoader类或实现ClassLoader接口来实现。
在创建自定义类加载器时，需要重写findClass方法来加载特定的类文件。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一种模块化系统，旨在提高JVM的性能和安全性。

模块定义：模块是通过模块描述文件（module-info.java）定义的，其中指定了模块的名称、所需模块、提供的模块和模块的暴露等。
模块路径：模块化系统通过模块路径来定位模块文件。
模块版本：模块可以指定版本，确保应用程序使用的模块是最适合其版本的。

内存模型

JVM的内存模型是JVM运行时的基础，它包括以下几部分：

运行时数据区：运行时数据区包括堆、栈、方法区和PC寄存器等。
- 堆：堆是JVM内存中最大的一块区域，用于存储几乎所有的Java对象实例和数组。
- 栈：栈用于存储局部变量和方法调用信息。每个线程都有自己的栈。
- 方法区：方法区用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据。
- PC寄存器：PC寄存器用于存储当前线程所执行的字节码指令的地址。

内存溢出场景分析

内存溢出是Java应用程序中常见的问题，通常发生在以下几种场景：

堆溢出：当创建大量对象导致堆空间不足时，就会发生堆溢出。
栈溢出：当递归调用深度过深导致栈空间不足时，就会发生栈溢出。
方法区溢出：当加载大量类信息导致方法区空间不足时，就会发生方法区溢出。

垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动管理内存的一种机制，用于回收不再使用的对象占用的内存。

GC Roots可达性分析：GC通过分析对象之间的引用关系，确定哪些对象是可达的，即仍在使用中的对象。
分代收集理论：JVM将对象分为新生代（Young）和老年代（Old），针对不同代采用不同的回收策略。
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。
垃圾回收算法：
- 标记-清除：标记所有可达对象，然后清除未被标记的对象。
- 复制：将对象复制到新的内存区域，然后释放旧区域。
- 整理：移动对象，使内存块连续，减少碎片。
并发收集器：
- CMS（Concurrent Mark Sweep）：一种以低停顿时间为目标的收集器。
- G1（Garbage-First）：一种以降低停顿时间为目标的收集器。
- ZGC（Z Garbage Collector）：一种低延迟的垃圾回收器。

停顿时间控制策略

JVM提供了多种停顿时间控制策略，以减少垃圾回收带来的停顿时间。

自适应大小调整：根据JVM运行情况动态调整堆大小。
G1回收器：通过将堆划分为多个区域，实现更细粒度的控制。

性能调优

JVM性能调优是优化Java应用程序性能的重要手段。

JVM参数配置：通过配置JVM参数（如-Xms、-Xmx等），可以影响JVM的内存管理行为。
内存泄漏诊断：通过分析内存使用情况，找出内存泄漏的原因。
JIT编译优化：JIT编译器将字节码编译成本地机器码，以提高程序运行效率。

Spring Boot知识体系

自动配置

Spring Boot的自动配置功能可以自动配置Spring应用程序，极大地简化了开发过程。

@EnableAutoConfiguration原理：Spring Boot通过扫描类路径下的配置类，根据类名和注解等信息自动配置Bean。
- 在启动应用程序时，Spring Boot会扫描META-INF/spring.factories文件中配置的自动配置类。
- 然后根据启动类中存在的依赖关系，选择相应的自动配置类进行配置。

条件化配置（@Conditional）

Spring Boot允许通过@Conditional注解实现条件化配置，即根据特定条件决定是否配置某些Bean。

条件化配置可以通过实现Condition接口或使用预定义的条件注解来实现。
在Spring Boot中，常用的条件注解包括@ConditionalOnClass、@ConditionalOnMissingBean等。

起步依赖

Spring Boot的起步依赖（Starter POM）包含了一组预定义的依赖，可以简化依赖管理。

起步依赖通过Maven或Gradle的依赖管理机制，可以方便地添加、更新和删除依赖。
起步依赖通常包含Spring框架的核心模块，以及其他常用的第三方库。

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：通过自动配置类实现集成。
配置属性：通过配置文件实现集成。
Bean定义：通过Bean定义实现集成。

Actuator

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

健康检查端点：通过/health端点，可以检查应用程序的健康状态。
度量指标收集：通过/metrics端点，可以收集应用程序的度量指标。
自定义Endpoint开发：通过实现Endpoint接口，可以自定义端点。

配置文件管理

Spring Boot支持多种配置文件格式，如application.properties和application.yml。

多环境配置：通过application-{profile}.yml文件，可以实现多环境配置。
配置加载优先级：Spring Boot会根据配置文件的优先级加载配置。
动态配置刷新：Spring Boot支持动态刷新配置文件。

监控与日志

Spring Boot提供了多种监控和日志解决方案，如：

Micrometer：用于度量指标收集。
Logback/SLF4J：用于日志管理。

分布式链路追踪

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：通过实现BeanPostProcessor接口，可以扩展Bean的生命周期。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，如Spring WebFlux。

通过响应式编程，可以实现非阻塞、异步的处理方式，提高应用程序的并发性能。

通过以上知识点的串联，我们可以深入理解JVM和Spring Boot的工作原理，以及如何在实际项目中应用这些技术。从类加载机制到垃圾回收，从自动配置到响应式编程，每个知识点都是构建高效、可维护的Java应用程序的基础。通过不断学习和实践，我们可以将这些知识点内化为自己的技能，从而在Java开发领域取得更大的成就。

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