JVM & Spring Boot精讲

📕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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一、JVM知识体系

类加载机制

类加载机制是JVM生命周期的第一步，它确保了每个Java类在运行前都被正确加载。在类加载过程中，JVM遵循以下步骤：

• 加载：这个过程包括以下几个子步骤：

  1. 查找类的定义：通过类名查找相应的.class文件。
  2. 读取.class文件：将.class文件内容读入JVM。
  3. 创建类对象：在堆内存中创建一个Class对象，该对象包含类的信息。

• 连接：连接阶段包括验证、准备和解析三个子步骤：

  1. 验证：确保加载的类信息符合JVM规范，包括字节码结构的正确性、符号引用的正确性等。
  2. 准备：为类中的静态变量分配内存，并设置初始值（默认值为0）。
  3. 解析：将符号引用转换为直接引用，即将符号引用指向的类、接口、字段和方法的描述符解析为直接引用。

• 初始化：初始化阶段会执行类构造器（ ()），为静态变量赋值。这个过程包括：

  1. 访问控制符的检查。
  2. 访问静态变量的赋值。
  3. 执行静态代码块。

双亲委派模型

双亲委派模型是一种安全机制，它要求子类加载器首先请求其父类加载器进行类加载，只有当父类加载器无法完成类加载时，才由子类加载器尝试加载。这种模型可以防止类替换和防止不同类加载器之间的资源冲突。

• 启动类加载器：负责加载<JAVA_HOME>/lib目录中的类库和JRE的类库。
• 扩展类加载器：负责加载<JAVA_HOME>/lib/ext目录中的类库和由系统库加载器加载的JAR包。
• 应用程序类加载器：负责加载用户类路径（classpath）上的类库。

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，这在实现热部署、模块化、资源隔离等方面非常有用。自定义类加载器需要实现java.lang.ClassLoader接口。

• 类路径定位：通过重写findClass方法来定位类文件。
• 资源读取：通过重写getResource和getResourceAsStream方法来读取资源文件。
• 类转换：通过重写asSubclass方法来处理子类加载。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一种模块化系统，它通过模块划分来提高性能和安全性。

• 模块定义：使用module-info.java文件定义模块，包括模块的名称、依赖、提供的API等。
• 模块化编译：使用--module-path和--add-modules选项来指定模块路径和要加载的模块。
• 模块间访问：通过模块间导入和导出声明来控制模块间的访问。

内存模型

JVM的内存模型是JVM运行时的核心，它包括以下几个区域：

• 运行时数据区：
  • 堆：存储所有类的实例和数组的对象，是垃圾回收的主要场所。
  • 栈：存储局部变量和方法调用，每个线程都有自己的栈。
  • 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。
  • PC寄存器：用于指示当前线程所执行的字节码指令的地址。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在堆内存不足时，常见的原因包括：

• 内存泄漏：由于对象生命周期过长，导致内存无法被回收。
• 大对象分配：分配了大量的内存，导致其他对象无法进入老年代。
• 频繁的垃圾回收：频繁的垃圾回收导致应用程序性能下降。

垃圾回收

垃圾回收是JVM自动管理内存的重要机制，它通过以下步骤来回收无用对象：

• GC Roots可达性分析：通过GC Roots来追踪对象是否可达，不可达的对象将被回收。
• 分代收集理论：将堆内存分为年轻代、老年代和永久代，分别采用不同的回收策略。
• 引用类型：包括强引用、软引用、弱引用和虚引用，不同类型的引用对垃圾回收有不同的影响。
• 垃圾回收算法：包括标记-清除、复制和整理算法。
• 并发收集器：如CMS（Concurrent Mark Sweep）和G1（Garbage-First），旨在减少停顿时间。
• 停顿时间控制策略：如G1的预测停顿时间控制。
• 性能调优：通过JVM参数配置（如-Xms、-Xmx等）进行性能调优。
• 内存泄漏诊断：通过工具如VisualVM进行内存泄漏诊断。
• JIT编译优化：JIT编译器将字节码编译成本地机器码，以提高性能。

二、Spring Boot知识体系

自动配置

Spring Boot的自动配置功能是基于条件化配置实现的，它通过分析类路径下添加的jar包或配置信息，自动配置相关的Bean。

• @EnableAutoConfiguration原理：Spring Boot通过扫描类路径下的所有jar包，根据类名、接口和注解等信息，自动配置相关的Bean。
• 条件化配置（@Conditional）：根据不同的条件，有选择地配置Bean。例如，当存在某个类时才配置相应的Bean。

自定义Starter开发

自定义Starter可以帮助开发者快速集成第三方库。

• 起步依赖：定义了Starter的依赖关系，通过Maven或Gradle的方式管理。
• 依赖管理机制：通过BOM文件（Bill of Materials）管理依赖版本，解决版本冲突。
• 第三方库集成模式：提供统一的集成方式，如提供配置文件、API接口等。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了一系列端点，用于监控和管理应用程序。

• 健康检查端点：用于检查应用程序的健康状态，如服务是否启动、数据库连接是否正常等。
• 度量指标收集：收集应用程序的性能指标，如CPU使用率、内存使用量等。
• 自定义Endpoint开发：允许开发者自定义端点，扩展监控和管理功能。

配置文件管理

Spring Boot使用配置文件来管理应用程序的配置。

• 多环境配置：通过application-{profile}.yml文件支持多环境配置，如开发环境、测试环境和生产环境。
• 配置加载优先级：配置文件的优先级高于命令行参数，可以覆盖配置文件中的配置。
• 动态配置刷新：支持动态刷新配置，如通过Spring Cloud Config实现配置中心。

监控与日志

Spring Boot提供了集成监控和日志的解决方案。

• Micrometer集成：提供多种度量指标收集器，如Prometheus、InfluxDB等。
• Logback/SLF4J配置：提供日志配置，支持多种日志输出格式和日志级别。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin和Jaeger。

• Zipkin：用于追踪分布式系统的调用链路，收集调用信息，并通过UI展示。
• Jaeger：用于追踪分布式系统的调用链路，提供丰富的可视化功能。

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：允许开发者自定义自动配置的Bean，扩展Spring Boot的功能。
• 生命周期扩展点：允许开发者监听Spring Boot的生命周期事件，如启动、关闭等。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，通过Spring WebFlux实现。

• Spring WebFlux：基于Reactor项目，支持异步、非阻塞的Web编程模型。
• 反应式编程模型：通过异步编程模型，提高应用程序的性能和可扩展性。

通过以上对JVM和Spring Boot知识体系的详细描述，我们可以看到这两个框架之间存在着紧密的联系。JVM为Spring Boot提供了运行环境，而Spring Boot则利用JVM的特性来实现自动配置、模块化、性能调优等功能。在实际开发中，理解和运用这些知识可以帮助我们构建高性能、可维护的Java应用程序。

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