JVM & Spring Boot详解-优快云博客

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📕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程序运行的基础，它负责将Java源代码编译生成的.class文件加载到JVM中，并转换为JVM能够识别的运行时数据结构。

类加载过程

类加载过程分为三个阶段：加载、连接和初始化。

加载：类加载器通过类名找到对应的.class文件，并加载到JVM中，生成一个Class对象。在这个过程中，类加载器会使用不同的类加载器实现，如Bootstrap ClassLoader、Extension ClassLoader和Application ClassLoader。Bootstrap ClassLoader负责加载JVM核心类库，如rt.jar；Extension ClassLoader负责加载JVM扩展库；Application ClassLoader负责加载应用程序类路径下的类。
连接：连接过程包括验证、准备和解析三个步骤。验证确保类信息符合JVM规范，防止安全问题；准备为类变量分配内存并设置默认初始值；解析将类、接口、字段和方法的符号引用转换为直接引用。
初始化：初始化阶段是执行类构造器 ()方法的过程，这个方法是由编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态代码块中的语句合并产生的。初始化过程是类加载的最后一步，也是最重要的步骤。

双亲委派模型

双亲委派模型是JVM类加载机制的核心，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，它会首先请求其父类加载器进行加载，只有当父类加载器无法完成加载任务时，才自己去加载。这种模型的优点是保证了类型安全，避免了类的重复加载。

自定义类加载器

在某些场景下，需要自定义类加载器来满足特定的需求，如实现热部署、模块化系统等。自定义类加载器需要继承ClassLoader类或实现ClassLoader接口，并重写其中的findClass方法。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一个模块化系统，它允许开发者将应用程序分解成多个模块，并控制模块之间的依赖关系。模块化系统能够提高JVM的性能和安全性，并简化应用程序的部署。

内存模型

JVM的内存模型包括运行时数据区和程序计数器。

运行时数据区

堆：存储几乎所有的对象实例和数组的内存区域。堆内存是动态分配的，垃圾回收主要发生在堆内存区域。
栈：存储局部变量表、操作数栈、方法出口等信息。栈内存是线程私有的，线程之间不会共享栈内存。
方法区：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：用于存储指向下一条指令的地址。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内存不足时，导致JVM无法分配新的对象实例。常见的原因包括：

创建的对象实例过多。
动态数组增长导致内存占用过大。
循环引用导致无法回收对象。

直接内存管理

直接内存管理是JVM通过java.nio包提供的，它允许程序直接分配堆外内存，不受Java堆大小的限制。直接内存管理可以提高程序的性能，但同时也增加了内存泄漏的风险。

垃圾回收

垃圾回收是JVM自动内存管理的重要机制，它通过回收不再使用的对象来释放内存。垃圾回收算法包括标记-清除、复制算法、标记-整理等。

GC Roots可达性分析

GC Roots是垃圾回收算法的基础，它指的是从根节点开始，通过一系列的引用关系能够到达的对象。只有当对象不是GC Roots可达时，才被认为是垃圾。

分代收集理论

JVM将内存分为Young、Old和Permanent三个区域，不同的区域采用不同的回收策略。

Young区：存放新生代对象，采用复制算法进行垃圾回收。
Old区：存放存活时间较长的对象，采用标记-清除或标记-整理算法进行垃圾回收。
Permanent区：存放类信息、常量等数据，采用标记-清除算法进行垃圾回收。

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。

强引用：最普通的引用类型，当存在强引用时，对象不会被回收。
软引用：当内存不足时，JVM会回收软引用指向的对象。
弱引用：比软引用更弱，当垃圾回收器运行时，即使内存足够，也会回收弱引用指向的对象。
虚引用：没有任何实际意义，仅提供了一种访问对象的手段。

垃圾回收算法

标记-清除：先标记所有可达对象，然后清除未被标记的对象。
复制算法：将内存分为两块，每次只使用其中一块，当这块内存满时，将存活的对象复制到另一块，并清空原内存。
标记-整理：类似于标记-清除，但在清除对象后，会整理内存空间，提高内存利用率。

并发收集器

CMS（Concurrent Mark Sweep）：一种以降低停顿时间为目标的并发收集器。
G1（Garbage-First）：一种以预测垃圾回收停顿时间并优化停顿时间目标的并发收集器。
ZGC（Z Garbage Collector）：一种低延迟的垃圾回收器。

停顿时间控制策略

为了提高用户体验，JVM提供了多种停顿时间控制策略，如CMS的并发标记和清除、G1的并发标记和整理等。

性能调优

JVM性能调优主要涉及以下几个方面：

JVM参数配置：通过调整JVM参数（如Xms、Xmx等）来优化内存使用。
内存泄漏诊断：通过工具（如JProfiler、VisualVM等）诊断内存泄漏问题。
JIT编译优化：JVM在运行时会对热点代码进行编译优化，提高程序性能。

Spring Boot知识体系详解

自动配置

Spring Boot通过自动配置机制，自动配置Spring应用程序所需的各种组件，从而简化了Spring应用程序的开发。

@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，查找并自动配置相关的Bean。自动配置过程主要依赖于Spring Factories机制，该机制定义了一个接口，接口中包含一个方法，方法返回一个Bean定义的集合。Spring Boot通过扫描类路径下的jar包，查找实现了该接口的类，并读取其中的Bean定义，从而实现自动配置。

条件化配置（@Conditional）

条件化配置允许开发者根据特定的条件来启用或禁用自动配置。条件化配置可以通过@Conditional注解实现，该注解可以指定一个或多个条件，只有当条件满足时，才进行自动配置。

自定义Starter开发

自定义Starter可以帮助开发者将常用库封装成Starter，方便其他开发者使用。自定义Starter需要创建一个Maven项目，并添加必要的依赖和配置文件。

起步依赖

起步依赖是Spring Boot的核心概念，它允许开发者通过添加依赖来引入Spring Boot的功能。起步依赖通常包含多个依赖，这些依赖之间具有依赖关系。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM（Bill of Materials）文件用于定义项目依赖的版本信息，确保项目中的所有依赖都使用相同的版本。BOM文件可以避免版本冲突问题。

版本冲突解决

Spring Boot通过提供依赖管理机制和版本兼容性策略来解决版本冲突问题。依赖管理机制包括依赖排除、依赖覆盖等策略。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式，如 Starter、配置文件等。第三方库集成模式可以根据实际需求选择合适的集成方式。

Actuator

Actuator是Spring Boot提供的一个模块，它允许开发者监控和管理Spring Boot应用程序。

健康检查端点

健康检查端点可以用来检查应用程序的健康状态。健康检查端点包括Spring Boot Actuator提供的默认端点和自定义端点。

度量指标收集

度量指标收集可以用来收集应用程序的性能数据。度量指标收集可以通过Spring Boot Actuator提供的指标端点实现。

自定义Endpoint开发

自定义Endpoint可以用来扩展Actuator的功能。自定义Endpoint需要实现Endpoint接口，并指定端点路径。

配置文件管理

Spring Boot支持多种配置文件格式，如properties、yaml等。

多环境配置（application-{profile}.yml）

多环境配置允许开发者为不同的环境（如开发、测试、生产）配置不同的配置文件。多环境配置可以通过Spring profiles实现。

配置加载优先级

Spring Boot会根据配置文件的优先级来加载配置。配置文件的优先级由配置文件路径和配置文件名决定。

动态配置刷新

动态配置刷新允许开发者实时更新配置文件。动态配置刷新可以通过Spring Cloud Config实现。

监控与日志

Spring Boot提供了多种监控和日志工具，如Micrometer、Logback/SLF4J等。

Micrometer集成

Micrometer是一个度量指标收集库，可以用来收集应用程序的性能数据。Micrometer支持多种度量指标收集器，如Prometheus、InfluxDB等。

Logback/SLF4J配置

Logback/SLF4J是Spring Boot的默认日志框架，可以用来配置日志级别、格式等。Logback/SLF4J支持多种日志格式，如JSON、XML等。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin、Jaeger等。

自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点

自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点可以用来扩展Spring Boot应用程序的功能。自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点需要实现Lifecycle接口，并重写其中的生命周期方法。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，如Spring WebFlux等。

通过以上对JVM和Spring Boot知识体系的详细解析，我们可以更好地理解Java虚拟机和Spring Boot的工作原理，为开发高效、可维护的Java应用程序打下坚实基础。

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