JVM与Spring Boot深度解析

📕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。

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JVM知识体系详解

类加载机制

Java虚拟机（JVM）的类加载机制是Java语言运行时环境的核心组成部分，它负责在运行时将Java类字节码加载到JVM中，确保了Java程序“一次编写，到处运行”的特性。类加载机制主要涉及以下几个关键点：

1. 类加载器：负责将类文件从文件系统或网络中读取到JVM中，并生成对应的Class对象。JVM中的类加载器包括启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）、扩展类加载器（Extension ClassLoader）和应用类加载器（Application ClassLoader）。

   • 启动类加载器：负责加载JVM核心类库，如rt.jar等，使用原生代码实现。
   • 扩展类加载器：负责加载JVM的扩展库，如java.xml.jar等，从JVM的扩展目录加载。
   • 应用类加载器：负责加载用户自定义的类库，从classpath目录加载。

2. 类加载过程：包括三个阶段：加载、连接、初始化。

   • 加载：将类的二进制代码从文件中读取到内存中，并生成一个Class对象。此阶段涉及到类文件格式、类加载器的选择、类的命名空间等。

   • 连接：包括验证、准备和解析三个步骤。

     • 验证：确保加载的类信息符合JVM规范，没有安全风险。验证过程包括文件格式验证、字节码验证、符号引用验证等。
     • 准备：为类变量分配内存，并设置默认初始值。对于基本数据类型，如int、float等，默认初始值为0；对于引用数据类型，如对象引用，默认初始值为null。
     • 解析：将符号引用转换为直接引用。符号引用是编译器生成的，直接引用是运行时表示的。

   • 初始化：执行类的初始化代码，如静态初始化器和静态代码块。初始化过程包括执行静态变量赋值和初始化代码块。

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，它首先将请求委派给父类加载器进行加载，只有当父类加载器无法完成加载时，子类加载器才会尝试自己加载该类。

双亲委派模型保证了类型的安全性和稳定性，避免了类的重复加载，同时也简化了类加载器的实现。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一个模块化系统，它将Java程序组织成模块，以便于管理和部署。JPMS通过模块描述符（module-info.java）来定义模块的依赖关系。

模块化系统具有以下特点：

• 模块独立性：每个模块只包含自己需要的类和资源，降低了类冲突的风险。
• 依赖性管理：模块之间的依赖关系由模块描述符定义，JVM在运行时根据依赖关系进行模块加载。
• 模块可见性：模块之间的类和资源可以有不同的可见性级别，包括公开、私有和保护。

内存模型

JVM的内存模型主要包括以下几个区域：

1. 堆：所有线程共享的内存区域，用于存放几乎所有的对象实例。堆内存是JVM管理的最大内存区域，其大小受限于系统内存和JVM参数配置。

2. 栈：线程私有的内存空间，用于存放局部变量表、操作数栈、方法出口等信息。栈内存的大小受限于JVM参数配置，通常比堆内存小得多。

3. 方法区：存放已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据。方法区是JVM中所有线程共享的数据区域，其大小受限于JVM参数配置。

4. PC寄存器：每个线程都有一个程序计数器，它指向当前线程正在执行的指令。PC寄存器是线程私有的数据区域，其大小与线程数量相同。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在以下场景：

1. 堆溢出：创建对象过多，导致堆内存不足。解决方法包括优化代码、使用更小的对象、调整JVM堆内存大小等。

2. 栈溢出：方法调用太深，导致栈内存不足。解决方法包括优化代码、使用递归代替循环、调整JVM栈内存大小等。

3. 方法区溢出：类定义过多，导致方法区内存不足。解决方法包括优化代码、减少类定义数量、调整JVM方法区大小等。

垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动管理内存的一种机制，它通过回收不再使用的对象来释放内存。垃圾回收的主要步骤如下：

1. GC Roots可达性分析：从GC Roots开始，向上遍历，查找所有可达对象，不可达对象被视为垃圾。GC Roots包括栈帧中的引用变量、静态变量、方法区中的常量等。

2. 分代收集理论：将对象分为新生代（Young）、老年代（Old）和永久代（Perm），分别采用不同的回收策略。

   • 新生代：存放新生成的对象，采用复制算法进行回收。
   • 老年代：存放存活时间较长的对象，采用标记-清除或标记-整理算法进行回收。
   • 永久代：存放类信息、常量、静态变量等数据，采用标记-清除算法进行回收。

3. 引用类型：包括强引用、软引用、弱引用和虚引用。

   • 强引用：对象生命周期最长，不会被垃圾回收器回收。
   • 软引用：对象生命周期较短，当内存不足时，垃圾回收器会回收软引用对象。
   • 弱引用：对象生命周期更短，比软引用更容易被垃圾回收器回收。
   • 虚引用：对象生命周期最短，几乎可以随时被垃圾回收器回收。

4. 垃圾回收算法：包括标记-清除、复制、整理算法。

   • 标记-清除算法：先标记所有可达对象，然后清除未被标记的对象。
   • 复制算法：将对象分为两个区域，每次只使用一个区域，当该区域满时，将存活对象复制到另一个区域，并清空原区域。
   • 整理算法：先标记所有可达对象，然后移动存活对象，清空原区域。

5. 并发收集器：如CMS（Concurrent Mark Sweep）、G1（Garbage-First）、ZGC（Z Garbage Collector）等。

   • CMS（Concurrent Mark Sweep）：一种并发收集器，通过减少停顿时间来提高系统性能。
   • G1（Garbage-First）：一种基于区域的并发收集器，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。
   • ZGC（Z Garbage Collector）：一种低延迟的并发收集器，适用于多核处理器。

6. 停顿时间控制策略：如CMS的并发标记阶段和G1的并发标记阶段。

   • CMS的并发标记阶段：在并发标记阶段，垃圾回收器与用户线程同时运行，减少停顿时间。
   • G1的并发标记阶段：在并发标记阶段，垃圾回收器与用户线程同时运行，通过预测停顿时间来调整垃圾回收策略。

7. 性能调优：通过JVM参数配置（如-Xms、-Xmx等）和内存泄漏诊断来优化性能。

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，无需编写大量的配置代码。其原理如下：

1. @EnableAutoConfiguration：通过该注解，Spring Boot会根据类路径下jar包的依赖关系，自动配置相关组件。例如，当项目中存在Spring Data JPA依赖时，Spring Boot会自动配置数据源、事务管理等组件。

2. 条件化配置（@Conditional）：通过该注解，Spring Boot可以根据不同的条件，选择性地配置某些组件。例如，当配置文件中存在数据库连接信息时，才会自动配置数据库相关组件。

自定义Starter开发

自定义Starter可以方便地集成第三方库，并简化依赖管理。开发自定义Starter的主要步骤如下：

1. 起步依赖：定义一个起步依赖，将所有必要的依赖项打包在一起。起步依赖使用Spring Boot的Starter POM插件进行管理。

2. 依赖管理机制（BOM文件）：通过BOM文件统一管理所有依赖的版本。BOM文件包含所有依赖的版本信息，确保了依赖版本的一致性。

依赖管理

Spring Boot使用Maven或Gradle来管理依赖，其中BOM文件用于统一依赖版本。BOM文件包含所有依赖的版本信息，确保了依赖版本的一致性。

第三方库集成

Spring Boot支持多种第三方库的集成，如数据库连接池、缓存等。集成第三方库的主要步骤如下：

1. 添加依赖：在项目的pom.xml或build.gradle文件中添加第三方库的依赖。

2. 配置参数：根据第三方库的文档配置相关参数，如数据库连接信息、缓存配置等。

3. 使用API：使用第三方库提供的API进行操作。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了一系列端点，用于监控和管理Spring Boot应用。Actuator端点包括：

1. 健康检查端点：可以检查应用的运行状态，如CPU使用率、内存使用情况等。

2. 度量指标收集：可以收集应用的性能数据，如请求响应时间、错误率等。

3. 自定义Endpoint开发：可以自定义端点，以满足特定需求。自定义Endpoint需要实现Endpoint接口，并配置相应的URL路径。

配置文件管理

Spring Boot使用YAML或Properties文件来配置应用，支持多环境配置。配置文件管理的主要特点如下：

1. 多环境配置（application-{profile}.yml）：可以根据不同的环境（如开发、测试、生产）使用不同的配置文件。配置文件名以application-{profile}开头，其中{profile}表示环境名称。

2. 配置加载优先级：可以根据配置文件的路径和名称来确定配置的优先级。配置文件的优先级从高到低依次为：当前目录下的配置文件、类路径下的配置文件、默认配置文件。

3. 动态配置刷新：可以动态地刷新配置，而不需要重启应用。动态配置刷新需要使用Spring Cloud Config或Spring Cloud Bus等技术。

监控与日志

Spring Boot支持多种监控和日志框架，如Micrometer、Logback/SLF4J等。监控与日志的主要特点如下：

1. Micrometer集成：可以集成Micrometer，用于收集和导出性能数据。Micrometer支持多种数据源，如Prometheus、Grafana、InfluxDB等。

2. Logback/SLF4J配置：可以配置Logback或SLF4J，以满足不同的日志需求。Logback和SLF4J都提供了丰富的日志级别和日志格式选项。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin、Jaeger等。分布式链路追踪的主要特点如下：

1. 自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点：可以通过自定义AutoConfigurationBean来扩展Spring Boot的生命周期，实现分布式链路追踪功能。

2. 响应式编程支持：Spring Boot支持响应式编程，如Spring WebFlux等。响应式编程可以更好地处理并发请求，提高系统性能。

通过以上对JVM和Spring Boot知识体系的详细讲解，相信读者可以对这些知识点有一个全面、深入的理解。在实际应用中，我们可以根据具体需求，灵活运用这些知识点，开发出高性能、可扩展的Java应用。

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