JVM与Spring Boot详解

📕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知识体系详解

类加载机制

Java虚拟机（JVM）中的类加载机制是Java运行时的核心之一，负责将Java类加载到JVM中。类加载机制主要分为以下几个阶段：

1. 加载（Loading）：加载类信息到JVM，这一过程涉及到类的二进制数据读取、类的类对象定义以及类的字节码解析。具体实现上，JVM会通过类加载器（Class Loader）来执行这一步骤，类加载器负责从文件系统、网络或其他来源获取类文件，然后通过字节码加载器（Bytecode Loader）将字节码数据读入内存。

2. 验证（Verification）：验证类信息，确保加载的类信息符合JVM规范，防止恶意代码对JVM造成伤害。验证过程包括四个阶段：文件格式验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证。

3. 准备（Preparation）：为类变量分配内存并设置默认值。对于基本数据类型，其默认值是0、false或null；对于引用类型，其默认值是null。

4. 解析（Resolution）：将符号引用转换为直接引用。符号引用是指类、接口、字段和方法的符号名称和类型，而直接引用是指直接指向对象的指针、偏移量或方法句柄。

5. 初始化（Initialization）：执行类的初始化代码，为静态变量分配内存并设置初始值。这个过程是类加载的最后一步，也是初始化类信息的唯一阶段。

类加载过程

类加载过程可以细分为以下步骤：

1. 加载：查找并加载类的二进制数据。这个过程涉及到类加载器的查找过程，包括启动类加载器、扩展类加载器和应用程序类加载器。

2. 验证：确保加载的类信息符合JVM规范。验证过程包括对类文件的字节码进行验证，确保没有安全风险。

3. 准备：为类变量分配内存并设置默认值。这个过程是在堆内存中分配内存空间，并设置初始值。

4. 解析：将符号引用转换为直接引用。这个过程涉及到类、接口、字段和方法的解析。

5. 初始化：执行类的初始化代码。这个过程包括静态代码块、静态变量的赋值以及构造函数的调用。

双亲委派模型

双亲委派模型是JVM中类加载器的一个设计模式，其核心思想是当一个类需要被加载时，首先请求父类加载器进行加载，只有当父类加载器无法加载该类时，才由子类加载器加载。这种模型确保了类的加载顺序和安全性。

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，实现类隔离、资源加载等需求。开发者可以通过继承抽象类ClassLoader或实现接口Class Loader来创建自定义类加载器。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一个模块化系统，旨在解决Java平台中的模块化和依赖管理问题。JPMS通过模块来组织代码，每个模块可以包含类、接口、资源等，并且可以定义模块间的依赖关系。

内存模型

JVM的内存模型主要分为以下几个区域：

1. 运行时数据区：包括堆、栈、方法区和PC寄存器。运行时数据区是JVM运行时的核心区域，用于存储程序运行时所需的数据。

2. 堆：用于存储对象实例。堆是所有线程共享的内存区域，用于存储几乎所有的Java对象。

3. 栈：用于存储局部变量和方法调用栈。栈是线程私有的内存区域，每个线程都有自己的栈。

4. 方法区：用于存储类信息、常量池等。方法区是所有线程共享的内存区域，用于存储运行时类信息。

5. PC寄存器：用于存储当前执行的方法的指令指针。PC寄存器是线程私有的，每个线程都有自己的PC寄存器。

内存溢出场景分析

内存溢出是指JVM的内存区域无法容纳更多的数据，导致程序崩溃。常见的内存溢出场景包括：

1. 堆溢出：创建大量对象，导致堆内存不足。

2. 栈溢出：递归调用深度过大，导致栈内存不足。

3. 方法区溢出：类信息过多，导致方法区内存不足。

垃圾回收

垃圾回收是JVM自动回收不再使用的对象占用的内存空间的过程。垃圾回收的步骤包括：

1. GC Roots可达性分析：从GC Roots开始，向上搜索可达对象。GC Roots包括线程栈、方法区中的静态变量、常量池等。

2. 分代收集理论：将对象分为新生代和旧生代，分别采用不同的垃圾回收策略。新生代采用复制算法，旧生代采用标记-清除或标记-整理算法。

3. 引用类型：包括强引用、软引用、弱引用和虚引用。强引用是最常见的引用类型，弱引用、软引用和虚引用则具有不同的生命周期和回收策略。

垃圾回收算法

垃圾回收算法包括：

1. 标记-清除（Mark-Sweep）：分为标记和清除两个阶段。标记阶段遍历所有对象，标记可达对象；清除阶段回收未被标记的对象。

2. 复制（Copying）：将对象复制到另一个区域，然后清除原区域的对象。这种算法适用于新生代，因为它可以减少内存碎片。

3. 整理（Mark-Compact）：在标记阶段后，将存活对象移动到内存的一端，清理内存碎片。这种算法适用于老年代，因为它可以减少内存碎片。

并发收集器

并发收集器包括：

1. CMS（Concurrent Mark Sweep）：以降低停顿时间为目标的并发收集器。CMS算法在用户线程进行垃圾回收时，尽量减少垃圾回收的停顿时间。

2. G1（Garbage-First）：以停顿时间为目标的并发收集器。G1算法将堆内存划分为多个区域，优先回收垃圾回收价值最高的区域。

3. ZGC（Z Garbage Collector）：以停顿时间为目标的并发收集器。ZGC算法采用指针碰撞算法，减少内存分配和垃圾回收的开销。

停顿时间控制策略

停顿时间控制策略包括：

1. 最大停顿时间：设置最大的停顿时间，确保应用程序的响应性。

2. 自适应调节策略：根据历史停顿时间自动调整垃圾回收策略，以优化停顿时间。

性能调优

性能调优包括：

1. JVM参数配置：配置堆大小、栈大小、GC策略等，以优化应用程序的性能。

2. 内存泄漏诊断：使用工具诊断内存泄漏问题，避免内存泄漏对应用程序性能的影响。

3. JIT编译优化：JIT编译器对热点代码进行优化，提高应用程序的运行效率。

Spring Boot知识体系详解

自动配置

Spring Boot的自动配置功能可以自动配置Spring应用程序所需的依赖和配置，极大地简化了开发过程。自动配置的原理是基于条件化配置（@Conditional）来决定是否启用某些自动配置。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解是Spring Boot自动配置的核心。它通过条件化配置（@Conditional）来决定是否启用某些自动配置。具体实现上，Spring Boot会根据类路径下存在的jar包和配置文件来决定启用哪些自动配置。

条件化配置（@Conditional）

条件化配置允许根据不同的条件来启用或禁用某些配置。Spring Boot提供了多种条件化配置注解，例如@ConditionalOnClass、@ConditionalOnMissingBean、@ConditionalOnProperty等。

自定义Starter开发

自定义Starter允许开发者将项目作为依赖项添加到其他Spring Boot项目中。开发者可以通过创建一个Maven或Gradle项目，将项目打包为jar包，并添加到Spring Boot的依赖管理中。

起步依赖

起步依赖是Spring Boot项目的基本依赖，它包含了一系列的库和配置。起步依赖简化了项目的依赖管理，开发者只需要添加起步依赖，就可以使用Spring Boot提供的功能。

依赖管理机制

Spring Boot使用Maven或Gradle来管理依赖。Maven和Gradle是两种常用的依赖管理工具，它们可以自动下载和解析项目所需的依赖。

版本冲突解决

版本冲突是依赖管理中常见的问题，可以通过选择合适的依赖版本或使用依赖排除来解决。Spring Boot提供了多种解决版本冲突的方法，例如选择合适的依赖版本、使用依赖排除等。

第三方库集成模式

第三方库集成模式包括：

1. 声明式集成：通过配置文件或注解进行集成。例如，使用Spring Data JPA进行数据库集成，只需要添加起步依赖并配置数据源即可。

2. 编程式集成：通过编程方式集成。例如，使用Spring Cloud Netflix Eureka进行服务发现和注册，需要编写相应的代码来集成Eureka。

Actuator

Spring Boot Actuator是一个用于监控和管理Spring Boot应用程序的工具。Actuator提供了多种端点，用于监控应用程序的健康状态、度量指标、日志等。

健康检查端点

健康检查端点允许开发者检查应用程序的健康状态。Spring Boot提供了多种健康检查机制，例如@HealthIndicator注解、@Health注解等。

度量指标收集

度量指标收集允许开发者收集应用程序的性能数据。Spring Boot提供了多种度量指标收集工具，例如Micrometer。

自定义Endpoint开发

自定义Endpoint允许开发者定义自己的端点，用于监控和管理应用程序。开发者可以通过实现Endpoint接口来创建自定义端点。

配置文件管理

Spring Boot支持多环境配置，可以通过配置文件来控制不同环境下的配置。Spring Boot提供了多种配置文件格式，例如application.yml、application.properties等。

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（如开发、测试、生产）使用不同的配置文件。Spring Boot支持通过设置spring.profiles.active属性来激活不同的配置文件。

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会按照以下顺序加载配置文件：application.yml、application.properties、application-{profile}.yml、application-{profile}.properties。

动态配置刷新

动态配置刷新允许开发者实时更新应用程序的配置。Spring Boot提供了@RefreshScope注解来实现动态配置刷新。

监控与日志

Spring Boot提供了多种监控和日志工具，如Micrometer和Logback/SLF4J。开发者可以使用这些工具来监控应用程序的性能和日志。

分布式链路追踪扩展机制

分布式链路追踪扩展机制允许开发者跟踪跨多个服务器的请求。Spring Boot提供了多种分布式链路追踪工具，例如Zipkin、Jaeger等。

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控制AutoConfigurationBean的创建和销毁过程。开发者可以通过实现AutoConfigurationImportSelector接口来扩展AutoConfigurationBean的生命周期。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，允许开发者编写异步和事件驱动的应用程序。Spring Boot提供了Reactor、Project Reactor等响应式编程库。

知识点串联与举一反三

在了解了JVM和Spring Boot的知识体系后，我们可以将这些知识点进行串联，从而更好地理解和应用它们。

例如，在开发Spring Boot应用程序时，我们可能会遇到内存溢出问题。这时，我们可以利用JVM内存模型和垃圾回收知识来分析内存溢出的原因，并采取相应的措施，如调整JVM参数或优化代码。

再比如，在开发自定义Starter时，我们可以利用Spring Boot的自动配置和条件化配置知识来简化配置过程。通过这种方式，我们可以将JVM和Spring Boot的知识点有机结合，从而提高开发效率和代码质量。

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