JVM核心机制解析

📕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知识体系补充说明

类加载机制

在类加载机制中，加载（Loading）过程不仅包括将.class文件读入内存，还包括将类信息存储在方法区中，并生成一个Class对象。这个过程涉及到类加载器的具体实现，如Bootstrap ClassLoader、Extension ClassLoader和App ClassLoader。Bootstrap ClassLoader负责加载核心API，Extension ClassLoader负责加载扩展库，而App ClassLoader负责加载应用程序中的类。

**验证（Verification）**过程确保.class文件的有效性，包括检查文件的字节码结构、符号表、常量池等，确保没有安全风险。这个过程涉及到字节码校验器（Bytecode Verifier）。

**准备（Preparation）**阶段为类变量分配内存，并设置默认初始值。对于基本数据类型，初始值为0，而对于对象引用，初始值为null。

**解析（Resolution）**阶段将符号引用转换为直接引用，这一过程涉及对类、接口、字段和方法的符号引用进行解析。

类加载过程

在类加载过程中，**加载（Loading）**阶段的具体实现包括：

• 通过文件系统或网络获取.class文件。
• 将.class文件解码为二进制数据。
• 创建Class对象。

**验证（Verification）**阶段会检查：

• 类文件的结构是否正确。
• 类文件是否被篡改。
• 类文件中的常量池是否包含非法或不可访问的符号引用。

**准备（Preparation）**阶段涉及：

• 分配内存空间。
• 设置变量初始值。

**解析（Resolution）**阶段将符号引用转换为直接引用，例如，将类名解析为Class对象。

**初始化（Initialization）**阶段会执行类构造器<clinit>()，这个过程包括：

• 设置静态变量。
• 执行静态代码块。

双亲委派模型

双亲委派模型的核心是类加载器之间的层次结构。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加载这个类。如果父类加载器无法加载，子类加载器才会尝试加载。

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，例如，可以实现自己的类加载器来加载特定协议的文件或从特定的源加载类。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）通过模块来组织代码，每个模块可以包含类、资源和其他模块。模块系统通过模块描述符（Module Descriptor）来定义模块的依赖关系。

内存模型

在JVM的内存模型中，**堆（Heap）**是动态分配内存的区域，用于存储对象实例和数组。**栈（Stack）**用于存储局部变量和方法调用，每个线程都有自己的栈。**方法区（Method Area）**用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在以下场景：

• 堆空间不足：当创建的对象过多，超过了堆空间的限制时，就会发生OutOfMemoryError。
• 栈空间不足：当方法调用太深或递归调用导致栈空间耗尽时，就会发生StackOverflowError。
• 方法区空间不足：当加载的类太多，超过了方法区空间的限制时，就会发生OutOfMemoryError。

垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动管理内存的重要机制。它通过回收不再使用的对象来释放内存。GC算法通常分为以下几类：

• 标记-清除（Mark-Sweep）：标记所有可达对象，然后清除未被标记的对象。
• 复制（Copying）：将内存分为两块，每次只使用其中一块，当这块空间用完时，将存活对象复制到另一块空间。
• 整理（Mark-Compact）：标记-清除算法的改进版，将存活对象整理到内存的一端。

GC Roots可达性分析

GC Roots可达性分析是垃圾回收算法的起点，它包括：

• 栈中的引用变量。
• 方法区中的静态变量。
• 方法区中的常量。
• 本地变量表中的引用变量。

分代收集理论

分代收集理论将对象分为几代，如新生代（Young）、老年代（Old）等，并对不同代使用不同的回收策略。新生代主要回收新创建的对象，而老年代主要回收存活时间较长的对象。

引用类型

引用类型包括以下几种：

• 强引用：默认的引用类型，不会被垃圾回收器回收。
• 软引用：可以被子类覆盖，允许垃圾回收器在内存不足时回收。
• 弱引用：可以被子类覆盖，垃圾回收器在确定没有强引用时回收。
• 虚引用：没有任何实际意义，仅作为垃圾回收器的标识。

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）：将内存分为两块，每次只使用其中一块，当这块空间用完时，将存活对象复制到另一块空间。
• 整理（Mark-Compact）：标记-清除算法的改进版，将存活对象整理到内存的一端。

并发收集器

并发收集器允许垃圾回收与应用程序并发执行，常见的有：

• CMS（Concurrent Mark Sweep）：一种以低延迟为目标的并发收集器。
• G1（Garbage-First）：一种以降低GC停顿时间为目标的并发收集器。
• ZGC（Z Garbage Collector）：一种以低延迟为目标的并发收集器。

停顿时间控制策略

停顿时间控制策略旨在控制垃圾回收过程中的停顿时间，常见的策略有：

• 最大停顿时间目标（Max GCPause Time）：设置最大停顿时间，垃圾回收器会尽力达到这个目标。
• 吞吐量（Throughput）：垃圾回收器在运行时占用的时间与总运行时间的比例。

性能调优

性能调优是提高JVM性能的关键，包括以下方面：

• JVM参数配置：通过调整JVM参数（如Xms、Xmx等）来优化性能。
• 内存泄漏诊断：通过工具诊断内存泄漏问题。
• JIT编译优化：JIT编译器对字节码进行优化，提高程序执行效率。

Spring Boot知识体系补充说明

自动配置

Spring Boot的自动配置功能基于条件化配置（@Conditional）来实现。当Spring Boot启动时，它会扫描项目中的类，并根据类上的注解和配置来决定是否启用某些配置。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解是Spring Boot自动配置的核心。它通过AutoConfigurationImportSelector类来实现自动配置。AutoConfigurationImportSelector会扫描类路径下的所有配置类，并根据条件化配置来选择需要自动配置的类。

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某些配置。例如，可以使用@ConditionalOnClass注解来指定只有当类路径下存在某个类时，才启用配置。

自定义Starter开发

自定义Starter可以帮助开发者快速集成自己的库。开发者需要创建一个包含自动配置类的Maven项目，并使用spring-boot-starter作为依赖。

起步依赖

起步依赖是Spring Boot项目的基础依赖，它包含了Spring Boot的核心库，如Spring Web、Spring Data等。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM（Bill of Materials）文件用于管理项目依赖的版本，确保依赖的一致性。BOM文件定义了所有依赖的版本，并确保在构建过程中使用这些版本。

版本冲突解决

版本冲突是依赖管理中的一个常见问题。Spring Boot通过BOM文件和依赖管理策略来解决版本冲突。依赖管理策略包括：

• 依赖排除（Dependency Exclusion）：排除特定的依赖版本。
• 依赖覆盖（Dependency Override）：覆盖特定的依赖版本。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库的集成模式，如自动配置、Starter等。开发者可以根据需要选择合适的集成模式。

Actuator

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

• /health：检查应用的健康状态。
• /metrics：收集应用的各种性能指标。
• /info：提供应用的信息。

健康检查端点

健康检查端点用于检查应用的健康状态。开发者可以使用@HealthIndicator注解来定义自己的健康检查逻辑。

度量指标收集

度量指标收集用于收集应用的各种性能指标。开发者可以使用@Bean注解和Metrics类来定义度量指标。

自定义Endpoint开发

自定义Endpoint允许开发者添加自定义的端点。开发者可以使用@RestControllerAdvice注解和@ExceptionHandler注解来定义自定义端点。

配置文件管理

Spring Boot支持多环境配置，通过配置文件（如application-{profile}.yml）来管理不同环境的配置。配置文件可以包含各种配置项，如数据库连接、服务器端口等。

配置加载优先级

配置加载优先级决定了配置文件的加载顺序。Spring Boot会按照以下顺序加载配置文件：

• application.yml
• application-{profile}.yml
• application.yml
• application-{profile}.yml

动态配置刷新

动态配置刷新允许在运行时修改配置并立即生效。开发者可以使用@RefreshScope注解来定义需要动态刷新的配置。

监控与日志

Spring Boot提供了多种监控和日志解决方案，如Micrometer、Logback/SLF4J等。开发者可以使用这些解决方案来监控应用性能和日志。

分布式链路追踪

分布式链路追踪可以帮助开发者追踪分布式系统的请求路径。Spring Boot支持多种分布式链路追踪解决方案，如Zipkin、Jaeger等。

扩展机制

Spring Boot提供了多种扩展机制，如自定义AutoConfiguration、Bean生命周期扩展点等。开发者可以使用这些扩展机制来扩展Spring Boot的功能。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，通过Spring WebFlux等库实现。响应式编程可以帮助开发者构建异步、非阻塞的应用程序。

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