JVM与Spring Boot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

JVM（Java虚拟机）作为Java程序运行的基石，其内部机制复杂而精妙。以下是对JVM知识体系的详细解析，包括类加载机制、内存模型、垃圾回收等方面。

1. 类加载机制

类加载机制是JVM的核心机制之一，负责将Java源代码编译成字节码，并将字节码加载到JVM中。类加载过程大致可以分为三个阶段：加载、连接、初始化。

（1）加载：类加载器负责将类文件读取到内存中，生成一个Class对象。类加载器主要有Bootstrap ClassLoader、Extension ClassLoader和Application ClassLoader三种类型。Bootstrap ClassLoader负责加载核心库，Extension ClassLoader负责加载扩展库，Application ClassLoader负责加载应用程序类。

（2）连接：连接过程包括验证、准备、解析三个步骤。验证阶段确保类文件符合Java规范，防止恶意代码破坏JVM安全；准备阶段为类变量分配内存，但不进行初始化；解析阶段将符号引用转换为直接引用。

（3）初始化：初始化过程为类变量赋初值，执行静态代码块，调用静态初始化器。初始化时机包括类被加载、访问变量、调用静态方法等。

2. 双亲委派模型

双亲委派模型是JVM类加载机制的核心原则，要求类加载器首先委托其父类加载器进行类的加载，只有当父类加载器无法加载时，才由自己进行加载。这种设计可以避免类的重复加载，提高类加载效率。

3. 自定义类加载器

在JVM中，除了系统提供的类加载器外，还可以自定义类加载器。自定义类加载器可以实现对特定类文件的加载，例如加载插件、实现热部署等功能。自定义类加载器需要继承ClassLoader类，并重写findClass方法。

4. 模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一种模块化系统，它将JVM和Java应用进行了模块化，提高了系统性能和安全性。JPMS通过模块定义文件（module-info.java）来组织代码，实现模块之间的依赖关系。

5. 内存模型

JVM的内存模型包括运行时数据区和直接内存管理两部分。

（1）运行时数据区：包括堆、栈、方法区、PC寄存器等。

• 堆：存储所有类的实例和数组的对象。堆内存通过垃圾回收机制进行管理，分为新生代和老年代。
• 栈：存储局部变量和方法调用栈。栈内存是线程私有的，生命周期与线程相同。
• 方法区：存储类信息、常量池、静态变量等。方法区内存是线程共享的，生命周期与JVM相同。
• PC寄存器：存储当前线程执行的指令地址。

（2）直接内存管理：JVM直接分配的内存，用于存储直接内存映射文件、NIO缓冲区等。直接内存管理可以提高I/O操作效率，但需要注意内存泄漏问题。

6. 内存溢出场景分析

内存溢出是指JVM内存使用超过其限制，导致程序崩溃。常见的内存溢出场景包括：

• 堆内存溢出：创建大量对象，导致堆内存不足。解决方法包括优化对象创建、使用弱引用、设置合理的JVM堆内存大小等。
• 栈内存溢出：递归调用深度过大，导致栈内存不足。解决方法包括优化递归算法、使用递归替代循环等。
• 方法区溢出：加载大量类信息，导致方法区内存不足。解决方法包括优化类加载策略、使用轻量级类加载器等。

7. 垃圾回收

垃圾回收是JVM自动回收不再使用的对象，释放内存资源。垃圾回收过程包括以下步骤：

（1）GC Roots可达性分析：从GC Roots开始，向上遍历，确定哪些对象是可达的。 （2）分代收集理论：将对象分为新生代和老年代，分别采用不同的垃圾回收算法。

• 新生代：采用复制算法，效率高，但空间利用率低。
• 老年代：采用标记-清除、标记-整理、压缩算法，空间利用率高，但效率较低。 （3）引用类型：分为强引用、软引用、弱引用、虚引用。
• 强引用：对象不会被垃圾回收。
• 软引用：对象可能被垃圾回收。
• 弱引用：对象一定被垃圾回收。
• 虚引用：对象唯一的作用是帮助垃圾回收器进行回收。 （4）垃圾回收算法：标记-清除、复制、整理算法。
• 标记-清除：标记可达对象，清除不可达对象。
• 复制：将对象复制到另一个区域，释放原区域。
• 整理：移动可达对象，释放空间。 （5）并发收集器：CMS、G1、ZGC。
• CMS：基于标记-清除算法，减少停顿时间。
• G1：基于标记-整理算法，实现垃圾回收的实时性。
• ZGC：基于标记-整理算法，实现低停顿时间的垃圾回收。

8. 停顿时间控制策略

JVM提供多种停顿时间控制策略，如自适应大小堆、G1垃圾回收器等，以减少垃圾回收对程序执行的影响。

9. 性能调优

JVM性能调优主要包括以下几个方面：

• JVM参数配置：Xms、Xmx等参数调整。
• 内存泄漏诊断：使用工具检测内存泄漏。
• JIT编译优化：JIT编译器对字节码进行优化，提高程序执行效率。

二、Spring Boot知识体系

Spring Boot作为Java框架的代表作，极大地简化了Spring应用的创建和配置。以下是对Spring Boot知识体系的详细解析，包括自动配置、配置文件管理、监控与日志等方面。

1. 自动配置

Spring Boot的自动配置功能可以自动根据项目依赖和项目结构进行配置，减少了手动配置的工作量。自动配置的原理如下：

（1）@EnableAutoConfiguration：Spring Boot通过@EnableAutoConfiguration注解开启自动配置功能。该注解会根据项目依赖自动加载相应的配置类。 （2）条件化配置：Spring Boot使用@Conditional注解实现条件化配置，根据项目依赖和项目结构选择合适的配置。例如，当项目中存在Redis依赖时，自动配置Redis相关组件。 （3）自定义Starter：Spring Boot提供自定义Starter，方便用户自定义自动配置。用户只需创建一个Starter项目，将所需依赖打包，并添加自动配置类即可。

2. 起步依赖

Spring Boot的起步依赖是Maven或Gradle的依赖管理机制，它将所有必要的依赖项打包在一起，简化了依赖管理。起步依赖通常以spring-boot-starter-xxx的形式命名，其中xxx表示具体的功能模块。

3. 依赖管理机制

（1）BOM文件：Spring Boot使用BOM（Bill of Materials）文件统一管理依赖版本，避免版本冲突。BOM文件包含了所有依赖项的版本信息，确保项目在不同环境下的版本一致性。 （2）版本冲突解决：Spring Boot使用依赖树分析、依赖锁定等技术解决版本冲突。依赖树分析可以找出项目中的依赖关系，避免因版本冲突导致的问题。

4. 第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式，如starter、dependency management、dependency injection等。

5. Actuator

Spring Boot Actuator是一个监控和管理Spring Boot应用的工具，它提供健康检查、度量指标、自定义端点等功能。

（1）健康检查端点：Spring Boot Actuator提供健康检查端点，用于检查应用的健康状态。用户可以通过HTTP请求访问健康检查端点，获取应用的健康信息。 （2）度量指标收集：Spring Boot Actuator可以收集应用的各种度量指标，如内存使用、线程数等。用户可以通过HTTP请求访问度量指标端点，获取应用的相关指标数据。 （3）自定义Endpoint开发：Spring Boot Actuator允许用户自定义端点，扩展监控功能。用户只需创建一个Endpoint类，并实现Endpoint接口即可。

6. 配置文件管理

（1）多环境配置：Spring Boot支持多环境配置，如application-dev.yml、application-prod.yml等。用户可以根据不同的环境设置不同的配置参数。 （2）配置加载优先级：Spring Boot按照配置文件路径、文件名、属性名的顺序加载配置。例如，先加载application.yml，再加载application-dev.yml。 （3）动态配置刷新：Spring Boot支持动态刷新配置，无需重启应用。用户可以通过HTTP请求或JMX远程调用等方式刷新配置。

7. 监控与日志

（1）Micrometer集成：Spring Boot集成Micrometer，支持多种监控工具。用户可以通过Micrometer收集应用的各种指标数据，并推送到不同的监控平台。 （2）Logback/SLF4J配置：Spring Boot使用Logback或SLF4J作为日志框架。用户可以通过配置文件或代码设置日志级别、输出格式、输出位置等。

8. 分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin、Jaeger等。用户可以通过集成相应的追踪工具，追踪应用中的请求路径，分析系统性能瓶颈。

9. 扩展机制

（1）自定义AutoConfigurationBean：Spring Boot允许用户自定义AutoConfigurationBean，扩展自动配置功能。用户只需创建一个配置类，并使用@Configuration注解即可。 （2）生命周期扩展点：Spring Boot提供生命周期扩展点，如BeanPostProcessor、InitializingBean等。用户可以通过实现这些接口，扩展Spring Bean的生命周期。

10. 响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，如Spring WebFlux、Reactor等。用户可以使用响应式编程框架构建高性能、高并发的应用程序。

总结

本文从JVM和Spring Boot两个角度，详细解析了Java应用开发和运行的相关知识。通过学习本文，读者可以掌握JVM的类加载机制、内存模型、垃圾回收等核心知识，以及Spring Boot的自动配置、配置文件管理、监控与日志等实用技能。在实际开发过程中，结合JVM和Spring Boot的知识，可以更好地优化应用性能，提高开发效率。

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