JVM与Spring Boot核心解析-优快云博客

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📘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

类加载机制

Java虚拟机（JVM）中的类加载机制是Java运行时环境的核心，它负责将类定义的数据从外部存储加载到JVM中，确保应用程序可以正常运行。类加载器是这一机制的关键角色，其工作过程涉及多个环节。

加载（Loading）：类加载器将类文件从文件系统或网络加载到JVM中，生成一个类的二进制表示。这一过程包括加载类的.class文件到方法区，并为类对象分配内存。
连接（Linking）：连接阶段分为验证（Verification）、准备（Preparation）和解析（Resolution）三个子阶段。验证阶段确保类文件的正确性，准备阶段为类变量分配内存并设置初始值（除static final变量外），解析阶段将符号引用替换为直接引用。
初始化（Initialization）：初始化阶段为类的静态变量赋予正确的初始值，包括静态代码块中的代码。

双亲委派模型

双亲委派模型是Java类加载机制的核心，它规定了类加载器的父子关系。当一个类加载器请求加载一个类时，它首先委派给父类加载器，只有当父类加载器无法完成加载时，子类加载器才会尝试加载。

启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：负责加载JVM启动类路径（Bootstrap Classpath）中的类，如rt.jar中的类。
扩展类加载器（Extension ClassLoader）：负责加载JVM的扩展目录中的类。
应用程序类加载器（Application ClassLoader）：负责加载应用程序路径中的类。

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，这在模块化系统和热部署中非常有用。通过继承ClassLoader类或实现ClassLoader接口，可以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，它将应用程序分解为多个模块，以提高性能和安全性。模块通过模块描述符（ModuleDescriptor）进行定义，包含模块名称、主类、依赖等信息。

内存模型

JVM的内存模型由多个区域组成，包括堆、栈、方法区和PC寄存器。

堆（Heap）：存储几乎所有的对象实例和数组，是动态分配的内存区域。垃圾回收主要针对堆内存。
栈（Stack）：存储局部变量和方法调用，是线程私有的内存区域。每个线程都有自己的栈空间。
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。方法区是全局共享的内存区域。
PC寄存器（PC Register）：用于存储当前线程所执行的字节码的地址。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在堆空间不足时，常见的原因包括：

创建过多的对象：频繁地创建临时对象，导致内存占用过多。
对象生命周期过长：一些对象长时间占用内存，无法被垃圾回收。
内存泄漏：对象生命周期结束后，引用关系没有释放，导致对象无法被垃圾回收。

垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动管理内存的一种机制，它通过识别和回收不再使用的对象来释放内存。垃圾回收算法主要包括：

标记-清除（Mark-Sweep）：标记所有可达对象，清除未标记的对象。
复制（Copying）：将对象在堆中复制到另一部分，然后清除原部分。
整理（Compacting）：移动存活对象，清理碎片。

并发收集器

并发收集器旨在降低垃圾回收的停顿时间，主要包括：

CMS（Concurrent Mark Sweep）：一种以降低停顿时间为目标的收集器。
G1（Garbage-First）：一种面向服务端应用的收集器，旨在提供可控的停顿时间。
ZGC（Z Garbage Collector）：一种低延迟的垃圾回收器。

停顿时间控制策略

停顿时间控制策略包括：

并行收集：多线程同时进行垃圾回收。
并发收集：与应用程序并发执行垃圾回收。
独占收集：与应用程序串行执行垃圾回收。

性能调优

性能调优主要包括以下几个方面：

JVM参数配置：通过设置JVM启动参数来调整内存分配和垃圾回收策略。
内存泄漏诊断：使用工具检测内存泄漏，并采取措施修复。
JIT编译优化：JIT编译器在运行时对热点代码进行优化，提高程序性能。

二、Spring Boot知识体系

自动配置

Spring Boot通过自动配置功能简化了Spring应用的配置过程。它基于一系列条件化配置，自动配置Spring应用程序。

自动配置原理：Spring Boot通过扫描类路径下的所有jar包，查找带有@Configuration注解的类，并将它们作为自动配置类，根据类路径下和其它条件自动配置Spring应用程序。

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。

@ConditionalOnClass：当类路径下存在指定类时，启用自动配置。
@ConditionalOnMissingClass：当类路径下不存在指定类时，启用自动配置。
@ConditionalOnProperty：当指定的属性值满足条件时，启用自动配置。

自定义Starter开发

自定义Starter可以帮助开发者将库和配置整合到一个简单的依赖中，方便其他开发者使用。

Maven坐标：自定义Starter需要定义Maven坐标，包括groupId、artifactId和version。
POM文件：在自定义Starter的POM文件中，需要声明依赖和自动配置类。

起步依赖

起步依赖是Spring Boot提供的一系列预定义的依赖，它们包含了构建应用程序所需的基本库。

spring-boot-starter：Spring Boot的核心起步依赖。
spring-boot-starter-web：Web应用程序起步依赖，包含Spring MVC和Tomcat。

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，确保项目在不同环境中的一致性。

定义依赖版本：在BOM文件中，定义了项目依赖的版本信息，确保项目在不同环境中使用相同的版本。
继承BOM：在项目的POM文件中，可以继承BOM文件，从而自动使用BOM中定义的依赖版本。

版本冲突解决

版本冲突是项目开发中常见的问题，Spring Boot通过提供依赖冲突解决策略来帮助开发者解决版本冲突。

排除依赖：在依赖中排除指定的版本。
依赖覆盖：使用更高版本的依赖覆盖低版本依赖。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库的集成模式，包括声明式集成、编程式集成和条件化集成。

声明式集成：通过配置文件或注解的方式集成第三方库。
编程式集成：通过代码的方式集成第三方库。
条件化集成：根据特定条件集成第三方库。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了丰富的端点，用于监控和管理Spring Boot应用程序。

端点：Actuator提供了多种端点，如health、metrics、beans、info等。
自定义端点：开发者可以自定义端点，以满足特定的监控和管理需求。

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。

健康指标：健康检查端点可以检查应用程序的健康指标，如CPU、内存、数据库连接等。
自定义健康指标：开发者可以自定义健康指标，以满足特定的监控需求。

度量指标收集

度量指标收集可以帮助开发者了解应用程序的性能和资源使用情况。

度量指标：度量指标包括CPU、内存、数据库连接、HTTP请求等。
自定义度量指标：开发者可以自定义度量指标，以满足特定的监控需求。

配置文件管理

Spring Boot支持多种配置文件格式，如properties和yml，并允许开发者定义多环境配置。

多环境配置：Spring Boot支持多环境配置，如开发、测试、生产环境。
配置文件优先级：配置文件之间的优先级决定了配置的覆盖关系。

动态配置刷新

动态配置刷新允许开发者在不重启应用程序的情况下更新配置。

配置更新方式：动态配置更新可以通过JMX、HTTP、Spring Cloud Config等方式实现。

监控与日志

Spring Boot提供了多种监控和日志解决方案，如Micrometer和Logback/SLF4J。

监控解决方案：Micrometer支持多种监控解决方案，如Prometheus、Grafana、InfluxDB等。
日志解决方案：Logback/SLF4J支持多种日志解决方案，如Log4j、Logback等。

分布式链路追踪

分布式链路追踪可以帮助开发者追踪跨多个服务调用的请求。

链路追踪工具：常见的链路追踪工具包括Zipkin、Jaeger、Zipkin等。
链路追踪原理：链路追踪通过在请求中添加唯一标识符，记录请求在各个服务之间的调用过程。

扩展机制

Spring Boot提供了多种扩展机制，如自定义AutoConfigurationBean和生命周期扩展点。

自定义AutoConfigurationBean：开发者可以自定义AutoConfigurationBean，以满足特定的业务需求。
生命周期扩展点：Spring Boot提供了生命周期扩展点，如ApplicationListener、InitializingBean、DisposableBean等。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，允许开发者使用Reactor、Project Reactor等库来构建异步、非阻塞的应用程序。

响应式编程库：Reactor、Project Reactor等库支持响应式编程。
响应式编程特点：响应式编程具有异步、非阻塞、事件驱动等特点。

通过以上对JVM和Spring Boot知识体系的详细解析，我们可以看到这两个技术在现代Java开发中的应用和重要性。深入理解这些知识点，有助于开发者构建高性能、可维护的Java应用程序。

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