JVM与Spring Boot核心解析

📕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。

🌾阅读前，快速浏览目录和章节概览可帮助了解文章结构、内容和作者的重点。了解自己希望从中获得什么样的知识或经验是非常重要的。建议在阅读时做笔记、思考问题、自我提问，以加深理解和吸收知识。阅读结束后，反思和总结所学内容，并尝试应用到现实中，有助于深化理解和应用知识。与朋友或同事分享所读内容，讨论细节并获得反馈，也有助于加深对知识的理解和吸收。💡在这个美好的时刻，笔者不再啰嗦废话，现在毫不拖延地进入文章所要讨论的主题。接下来，我将为大家呈现正文内容。

一、JVM知识体系

在深入探讨Java虚拟机（JVM）的知识体系之前，我们先要了解JVM的核心职责：它负责执行Java字节码，确保Java程序的跨平台运行。下面我们将从类加载机制、内存模型、垃圾回收等方面展开详细阐述。

类加载机制

类加载机制是JVM的核心机制之一，负责将Java源代码编译生成的字节码加载到JVM中。这个过程可以分为三个阶段：加载、连接和初始化。

类加载过程

1. 加载（Loading）：查找并加载指定的类或接口的.class文件。加载过程包括以下步骤：

   • 通过类加载器（Class Loader）查找并获取类的字节码。
   • 将字节码转换为方法区的运行时数据结构。
   • 创建一个代表类的java.lang.Class对象，存储在运行时数据区的方法区中。

2. 连接（Linking）：验证类信息是否符合JVM规范，准备类变量所需的工作空间，并将符号引用转换为直接引用。连接过程包括：

   • 验证：确保类文件的字节码符合JVM规范，没有安全问题和错误。
   • 准备：为类变量分配内存空间，并设置默认初始值。
   • 解析：将符号引用转换为直接引用，例如将类类型、字段、方法、接口的符号引用解析为直接引用。

3. 初始化（Initialization）：为类变量赋予初始值，执行静态代码块，以及执行类构造器（ ()）。初始化过程包括：

   • 执行静态初始化器（static{}块）。
   • 调用类构造器（ ()），完成类的初始化。

双亲委派模型

双亲委派模型是JVM中的一种类加载策略，它要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。当一个类加载器请求加载一个类时，它首先委派给父类加载器去加载，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。这种模型的优点是保证类型的一致性，避免类的重复加载。

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，实现一些特定的功能，如模块化系统。自定义类加载器可以通过继承java.lang.ClassLoader类并重写其loadClass方法来实现。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的模块化系统，它将JVM的类加载器体系结构扩展到了模块级别，提供了模块间的隔离和依赖管理。模块化系统通过模块描述文件（module-info.java）定义模块的依赖关系，实现了模块的加载、连接和初始化。

内存模型

JVM的内存模型分为运行时数据区和非运行时数据区。

运行时数据区

1. 堆（Heap）：所有线程共享的区域，用于存放几乎所有的对象实例和数组的内存。堆内存的分配和回收由垃圾回收器管理。

2. 栈（Stack）：每个线程拥有自己的栈空间，用于存放局部变量和方法调用栈。栈内存的分配和回收由线程的执行栈管理。

3. 方法区（Method Area）：所有线程共享的区域，用于存放已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据。方法区内存的分配和回收由垃圾回收器管理。

4. PC寄存器：每个线程都有一个PC寄存器，用于指示下一条要执行的指令。PC寄存器存储的是字节码的偏移量。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在堆空间不足的情况下，常见的场景包括：

• 创建了大量的对象实例。
• 使用了大数据量的集合。
• 大对象直接分配在栈上。

直接内存管理

直接内存（Direct Memory）是JVM在堆外分配的内存空间，用于提高NIO操作的性能。直接内存不受垃圾回收器的管理，需要手动分配和释放。

垃圾回收

垃圾回收（Garbage Collection，GC）是JVM自动回收不再使用的对象占用的内存空间的过程。

GC Roots可达性分析

GC Roots是一组特殊的对象，作为GC算法的起点，用于判断对象是否存活。GC Roots通常包括：

• 虚拟机启动时创建的对象。
• 静态变量引用的对象。
• 活跃线程的栈帧中的局部变量引用的对象。

分代收集理论

分代收集理论将JVM的堆内存划分为多个区域，通常分为年轻代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。这种划分的目的是为了提高垃圾回收的效率。

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。不同类型的引用对垃圾回收的影响不同。

垃圾回收算法

常见的垃圾回收算法包括标记-清除（Mark-Sweep）、复制（Copying）和整理（Compacting）算法。每种算法都有其优缺点，适用于不同的场景。

并发收集器

并发收集器允许GC与应用程序同时运行，减少应用程序的停顿时间。常见的并发收集器包括CMS（Concurrent Mark Sweep）和G1（Garbage-First）。

停顿时间控制策略

停顿时间控制策略旨在控制GC的停顿时间，提高应用程序的性能。常见的策略包括自适应大小、动态调整停顿时间等。

性能调优

性能调优主要包括JVM参数配置、内存泄漏诊断和JIT编译优化等方面。通过调整JVM参数，可以优化内存使用、垃圾回收和性能。

二、Spring Boot知识体系

Spring Boot是一个开源的Java框架，它简化了Spring应用的创建和部署。下面我们将从自动配置、配置文件管理、分布式链路追踪等方面展开详细阐述。

自动配置

Spring Boot的自动配置功能能够根据添加的jar依赖自动配置Spring应用程序。其核心原理是@EnableAutoConfiguration注解。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解通过条件化配置，根据添加的jar依赖自动配置Spring应用程序。具体实现如下：

• Spring Boot在启动时扫描所有已加载的jar包，查找包含@EnableAutoConfiguration注解的类。
• 根据添加的jar依赖，确定需要启用的自动配置类。
• 通过Spring的自动配置机制，自动配置Spring应用程序。

条件化配置（@Conditional）

条件化配置允许Spring Boot根据特定的条件来启用或禁用某些配置。常见的条件化配置注解包括：

• @ConditionalOnClass：当指定的类存在时启用配置。
• @ConditionalOnMissingBean：当没有指定类型的Bean时启用配置。
• @ConditionalOnProperty：当指定的属性存在且符合条件时启用配置。

自定义Starter开发

自定义Starter可以帮助开发者快速集成第三方库。自定义Starter通常包含以下步骤：

• 创建一个Maven项目，并添加Spring Boot的起步依赖。
• 编写自动配置类，实现自动配置功能。
• 创建一个Spring Boot的Starter POM，包含自动配置类和起步依赖。
• 将Starter POM发布到Maven仓库。

起步依赖

起步依赖（Starter Dependency）是Spring Boot提供的简化依赖管理机制，通过引入一个起步依赖，可以自动添加相关的依赖项。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM（Bill of Materials）文件用于统一管理项目的依赖版本。BOM文件包含所有依赖的版本信息，确保项目中的依赖版本一致。

版本冲突解决

版本冲突是依赖管理中常见的问题，可以通过以下方式解决：

• 依赖排除：通过排除特定版本的依赖来避免冲突。
• 依赖覆盖：通过引入更高版本的依赖来覆盖低版本的依赖。
• 依赖覆盖策略：通过配置依赖覆盖策略来控制依赖的版本。

第三方库集成模式

第三方库的集成可以通过Maven或Gradle进行。以下是一些常见的集成模式：

• 直接依赖：直接在项目的pom.xml或build.gradle文件中添加第三方库的依赖。
• 传递依赖：通过添加第三方库的依赖，间接添加其他依赖。
• 依赖树分析：分析项目依赖树，找出所有依赖的版本信息。

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

健康检查端点用于检查应用程序的健康状态。通过访问/health端点，可以获取应用程序的健康信息。

度量指标收集

度量指标收集用于收集应用程序的性能数据。通过访问/metrics端点，可以获取应用程序的度量指标。

自定义Endpoint开发

自定义Endpoint允许开发者添加自定义的监控和管理端点。通过实现org.springframework.boot.actuate.endpoint.Endpoint接口，可以创建自定义的端点。

配置文件管理

Spring Boot使用配置文件来管理应用程序的配置信息。

多环境配置（application-{profile}.yml）

多环境配置允许开发者根据不同的环境（开发、测试、生产等）配置不同的应用程序参数。通过设置不同的配置文件，可以实现不同环境的配置。

配置加载优先级

配置加载优先级决定了配置文件的加载顺序。Spring Boot默认的加载顺序为：

1. application.yml
2. application-{profile}.yml
3. application.yml

动态配置刷新

动态配置刷新允许在应用程序运行时更新配置。通过Spring Cloud Config或Spring Cloud Bus等工具，可以实现动态配置刷新。

监控与日志

Spring Boot提供了多种监控和日志解决方案。

Micrometer集成

Micrometer是一个度量指标收集库，可以与各种监控系统集成。通过Micrometer，可以收集应用程序的性能数据，并将其发送到监控平台。

Logback/SLF4J配置

Logback和SLF4J是Java日志框架，Spring Boot支持它们。通过配置Logback或SLF4J，可以自定义日志的格式、级别和输出位置。

分布式链路追踪

分布式链路追踪可以帮助开发者追踪跨多个服务的请求。

自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点

自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点允许开发者扩展Spring Boot的自动配置功能。通过实现org.springframework.boot.context.event.ApplicationEnvironmentPreparedEvent监听器，可以扩展自动配置功能。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，通过Spring WebFlux框架实现。响应式编程允许异步处理请求，提高应用程序的性能。

总结

JVM和Spring Boot是Java开发中非常重要的知识体系。通过深入理解JVM的类加载机制、内存模型、垃圾回收等知识，可以更好地优化Java应用程序的性能。而Spring Boot则简化了Spring应用的创建和部署，提高了开发效率。掌握这些知识，可以帮助开发者更好地进行Java开发。

📥博主的人生感悟和目标

希望各位读者大大多多支持用心写文章的博主，现在时代变了，信息爆炸，酒香也怕巷子深，博主真的需要大家的帮助才能在这片海洋中继续发光发热，所以，赶紧动动你的小手，点波关注❤️，点波赞👍，点波收藏⭐，甚至点波评论✍️，都是对博主最好的支持和鼓励！

- 💂 博客主页： Java程序员廖志伟
- 👉 开源项目： Java程序员廖志伟
- 🌥 哔哩哔哩： Java程序员廖志伟
- 🎏 个人社区： Java程序员廖志伟
- 🔖 个人微信号： SeniorRD

📙经过多年在优快云创作上千篇文章的经验积累，我已经拥有了不错的写作技巧。同时，我还与清华大学出版社签下了四本书籍的合约，并将陆续出版。这些书籍包括了基础篇、进阶篇、架构篇的📌《Java项目实战—深入理解大型互联网企业通用技术》📌，以及📚《解密程序员的思维密码--沟通、演讲、思考的实践》📚。具体出版计划会根据实际情况进行调整，希望各位读者朋友能够多多支持！

🔔如果您需要转载或者搬运这篇文章的话，非常欢迎您私信我哦~