JVM & Spring Boot核心知识-优快云博客

📕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）的相关知识之前，我们先来构建一个清晰的JVM知识体系框架。这将有助于我们更好地理解JVM的运作原理和各个组件之间的关系。

类加载机制

JVM的类加载机制是Java语言的核心特性之一，它负责将Java类文件（.class）转换成JVM可以直接使用的Class对象。类加载过程大致分为以下几个步骤：

加载（Loading）：JVM启动时，通过类加载器（ClassLoader）来加载指定名称的类文件。在Java中，类加载器分为启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）、扩展类加载器（Extension ClassLoader）和应用类加载器（Application ClassLoader）。
验证（Verification）：加载后的类文件需要通过验证以确保其安全性和正确性。验证过程包括对字节码的验证、符号引用的验证等。
准备（Preparation）：为类中的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值。
解析（Resolution）：将符号引用替换为直接引用，如将方法区的符号引用转换为指向运行时常量池中的引用。
初始化（Initialization）：执行类的初始化代码，包括静态代码块和构造函数。

双亲委派模型

双亲委派模型是JVM默认的类加载器委托机制，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。当一个类加载器无法找到指定的类时，它会将请求委派给其父类加载器。这种模型的优点是避免类的重复加载，确保类型安全。

自定义类加载器

通过继承ClassLoader类或实现ClassLoader接口，开发者可以创建自定义的类加载器，以实现对特定类文件的加载，例如，加载来自特定路径的类文件或加密的类文件。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一个模块化系统，它通过模块（module）来组织代码，使得类加载器能够根据模块依赖来加载类。模块化系统可以降低类加载器的层次结构，减少冲突，提高系统安全性。

内存模型

JVM的内存模型可以分为以下几个运行时数据区：

堆（Heap）：存储所有类实例和数组的内存区域。JVM堆是动态分配的，垃圾回收器主要在堆上运行。
栈（Stack）：每个线程的内存区域，存储局部变量和操作数栈。栈是线程私有的，线程间不共享。
方法区（Method Area）：存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据。方法区是所有线程共享的。
PC寄存器：每条线程都有一个程序计数器，用来指示下一条要执行的指令。PC寄存器是线程私有的。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在堆空间不足时，导致JVM无法分配新的对象。常见的场景包括：不断创建对象、对象生命周期过长、垃圾回收器性能不足等。为了解决内存溢出问题，可以通过以下方式：

优化对象创建：避免不必要的对象创建，减少内存占用。
调整JVM堆空间大小：通过JVM参数调整堆空间大小，如-Xmx和-Xms。
使用弱引用或软引用：允许垃圾回收器在内存不足时回收这些对象。

垃圾回收（GC）

垃圾回收是JVM自动管理内存的一种机制。其核心思想是回收那些不再使用的对象占用的内存。常见的垃圾回收算法包括：

标记-清除（Mark-Sweep）：先标记所有可达对象，然后清除未被标记的对象。
复制（Copying）：将堆内存分为两个相等的部分，每次只使用其中一部分。当一部分空间不足时，将所有存活的对象复制到另一部分空间。
整理（Compacting）：将堆内存中的对象移动到一起，减少内存碎片。

JVM提供了多种垃圾回收器，如Serial GC、Parallel GC、Concurrent Mark Sweep GC（CMS）、Garbage-First GC（G1）和Z Garbage Collector（ZGC）等。每种垃圾回收器都有其优缺点，可以根据应用场景选择合适的垃圾回收器。

GC Roots可达性分析

GC Roots是指那些不可能被垃圾回收器回收的对象的集合。通过GC Roots可以找到所有存活的对象，从而回收不再被引用的对象。常见的GC Roots包括：

方法区的静态变量
活跃线程的栈帧中的变量
本地方法栈中的变量

分代收集理论（Young/Old区）

JVM通常将堆内存分为新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation），以便进行更有效的垃圾回收。新生代主要存放新生对象，垃圾回收频率高；老年代存放存活时间较长的对象，垃圾回收频率低。

引用类型（强/软/弱/虚）

在Java中，对象的引用类型分为强引用、软引用、弱引用和虚引用，它们对垃圾回收的影响不同：

强引用：最常用的引用类型，不允许垃圾回收器回收被强引用的对象。
软引用：用于缓存数据，当内存不足时，垃圾回收器会回收软引用对象。
弱引用：用于描述非必须的引用关系，垃圾回收器会尽快回收弱引用对象。
虚引用：不提供对对象的引用，用于实现对象被回收时的通知。

垃圾回收算法

常见的垃圾回收算法包括：

标记-清除（Mark-Sweep）：先标记所有可达对象，然后清除未被标记的对象。
复制（Copying）：将堆内存分为两个相等的部分，每次只使用其中一部分。当一部分空间不足时，将所有存活的对象复制到另一部分空间。
整理（Compacting）：将堆内存中的对象移动到一起，减少内存碎片。

并发收集器（CMS/G1/ZGC）

并发收集器旨在减少垃圾回收过程中的停顿时间，如CMS、G1和ZGC。这些垃圾回收器可以在应用程序运行的同时进行垃圾回收，从而降低对应用程序性能的影响。

停顿时间控制策略

JVM提供了多种策略来控制垃圾回收的停顿时间，如适应性大小调整和并发标记阶段。适应性大小调整可以动态调整堆内存大小，以减少停顿时间；并发标记阶段可以在多个线程中并发执行标记操作。

性能调优

通过JVM参数配置（如-Xms、-Xmx等）和内存泄漏诊断工具，可以优化JVM的性能。性能调优主要包括以下方面：

调整垃圾回收策略
优化内存分配策略
调整线程池参数
优化JVM参数

二、Spring Boot知识体系

Spring Boot是Spring框架的一个模块，它旨在简化Spring应用的创建和部署。以下是对Spring Boot知识体系的详细描述：

自动配置

Spring Boot的核心特性之一是自动配置，它可以根据类路径下的jar包和配置文件，自动配置Spring应用的组件。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解是Spring Boot自动配置的核心，它通过扫描类路径下的jar包和配置文件，自动启用相应的自动配置。当Spring Boot启动时，它会查找所有带有@SpringBootApplication注解的Spring配置类，然后扫描这些配置类所在的包及其子包，查找带有@Component注解的类。如果类路径下存在对应的jar包，则自动启用相应的自动配置。

条件化配置（@Conditional）

@Conditional注解可以用来实现基于条件的自动配置，只有满足特定条件时才会生效。例如，当类路径下存在某个jar包时，才会启用相应的自动配置。

自定义Starter开发

通过创建一个Maven项目并添加依赖，可以开发自己的Spring Boot Starter，以简化项目的依赖管理。自定义Starter包括添加依赖、创建启动器jar包和编写自动配置类。

起步依赖

Spring Boot通过起步依赖来简化依赖管理，起步依赖内含了构建应用所需的所有依赖。

依赖管理机制（BOM文件）

Spring Boot使用BOM（Bill of Materials）文件来管理依赖版本，以确保所有依赖版本的一致性。BOM文件包含了所有依赖的版本信息，通过Maven或Gradle可以使用BOM文件管理依赖。

版本冲突解决

当出现依赖版本冲突时，可以通过以下方式解决：

排除依赖：使用<exclusions>标签排除冲突的依赖。
选择更高版本：升级冲突的依赖到更高版本。
使用依赖锁定：使用Maven的<dependencyManagement>或Gradle的resolutionStrategy来锁定依赖版本。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库的集成模式，如通过SPI（Service Provider Interface）进行集成。SPI允许第三方库提供自己的实现，Spring Boot可以根据SPI自动集成这些实现。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了许多端点，用于监控和管理Spring Boot应用。

健康检查端点

健康检查端点可以用来检查应用的健康状态，例如/health和/health/readiness。通过这些端点，可以了解应用的运行状况、数据库连接、服务可用性等信息。

度量指标收集

Actuator允许收集应用的度量指标，如内存使用、CPU使用率等。这些度量指标可以用于监控系统性能、优化资源分配等。

自定义Endpoint开发

开发者可以自定义Endpoint来提供定制的监控和管理功能。自定义Endpoint需要实现Endpoint接口或@Endpoint注解的类。

配置文件管理

Spring Boot支持多环境配置，通过application-{profile}.yml文件来实现。

多环境配置

通过指定不同的profile，可以加载不同环境的配置文件。例如，application-dev.yml用于开发环境，application-prod.yml用于生产环境。

配置加载优先级

配置文件的加载优先级是按名称排序的，较晚加载的配置会覆盖较早加载的配置。

动态配置刷新

Spring Boot支持动态刷新配置文件，以实现应用的实时更新。动态配置刷新可以通过@RefreshScope注解或Spring Cloud Config实现。

监控与日志

Spring Boot通过集成Micrometer和Logback/SLF4J来提供监控和日志支持。

Micrometer集成

Micrometer是一个监控度量标准库，它支持多种监控系统，如Prometheus和Grafana。通过Micrometer，可以收集和导出应用的性能数据。

Logback/SLF4J配置

Spring Boot默认使用Logback作为日志框架，通过配置Logback可以自定义日志格式、级别和输出位置。Logback提供了丰富的配置选项，可以满足不同的日志需求。

分布式链路追踪扩展机制

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin和Jaeger。分布式链路追踪可以跟踪请求的执行过程，帮助开发者定位问题。

自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点

Spring Boot提供了多种扩展点，允许开发者自定义AutoConfigurationBean的生命周期。例如，可以自定义Bean的初始化、销毁等操作。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，通过集成Reactor和Project Reactor等库来实现。响应式编程可以提供更好的性能和可扩展性。

通过上述对JVM和Spring Boot知识体系的详细描述，我们可以看到这两个框架在Java生态系统中的重要作用。JVM为Java应用提供了一个稳定的运行环境，而Spring Boot则极大地简化了Spring应用的创建和部署。了解这两个框架的运作原理对于开发高性能、可维护的Java应用至关重要。

优快云

📥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！