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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一、JVM知识体系

类加载机制

Java虚拟机（JVM）的类加载机制是Java程序运行的基础，它确保了类的唯一性和安全性。在类加载过程中，JVM遵循以下步骤：

1. 加载：JVM通过类加载器查找并加载指定名称（简单类名）的类或接口定义。加载过程包括读取类定义的二进制数据到方法区，并生成一个代表类的java.lang.Class对象。

2. 验证：验证类在类文件中描述的结构是否正确，确保类文件中的信息符合JVM规范。验证过程包括：文件格式验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证。

3. 准备：为类变量分配内存，并设置默认初始值。对于静态变量，这里分配的是栈上内存；对于实例变量，分配的是堆上内存。

4. 解析：将类、接口、字段和方法的符号引用替换为直接引用。直接引用是指向方法区的指针、偏移量或方法表的引用。

5. 初始化：执行类构造器方法 ()，初始化类变量和静态初始化器块中的代码。初始化顺序是按照类继承关系从上至下，从父类到子类。

双亲委派模型是JVM类加载机制的核心策略，它要求子类加载器先请求其父类加载器加载类，只有当父类加载器无法加载该类时，子类加载器才尝试自己加载。这种模型保证了类加载的稳定性和安全性。

自定义类加载器允许开发者自定义类加载过程，实现如热部署、模块化等高级功能。在自定义类加载器中，需要重写findClass()方法来加载类。

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的模块化系统，它通过模块定义文件（module-info.java）来组织类和资源，提高了JVM的性能和安全性。

内存模型

JVM的内存模型包括以下部分：

• 堆：所有类实例和数组的内存分配都在堆上。堆是JVM管理的最大内存区域，也是垃圾回收的主要区域。

• 栈：每个线程都有自己的栈，用于存储局部变量表、操作数栈、方法出口等信息。栈空间相对较小，且线程之间互不干扰。

• 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内存区域。

• PC寄存器：每个线程都有一个PC寄存器，用于存储当前线程所执行的指令的地址。

内存溢出通常发生在堆空间不足时，常见原因包括：

• 创建大量对象，导致堆空间占用过多。
• 循环引用，导致垃圾回收器无法回收对象。
• 内存泄漏，如未释放的数据库连接、文件句柄等。

直接内存管理是指JVM直接在本地内存中分配内存，这部分内存不受垃圾回收器的管理。直接内存管理可以提高性能，但需要开发者手动管理内存。

垃圾回收

垃圾回收是JVM自动回收不再使用的对象的过程。垃圾回收器通过以下步骤进行：

1. 标记：找到所有可达对象，即从GC Roots开始，通过引用关系找到所有可达对象。

2. 清除：清除所有未被标记的对象，释放其占用的内存。

常见的垃圾回收算法包括：

• 标记-清除：标记所有可达对象，然后清除未被标记的对象。缺点是会产生内存碎片。
• 复制：将对象复制到另一个区域，然后清理原区域。优点是内存利用率高，缺点是空间利用率低。
• 整理：移动存活对象，清理内存碎片。

并发收集器允许在应用程序运行时进行垃圾回收，常见的有CMS（Concurrent Mark Sweep）和G1（Garbage-First）。

停顿时间控制策略旨在减少垃圾回收导致的停顿时间，常见的策略包括：

• 自适应大小调整：根据垃圾回收的频率和停顿时间动态调整堆大小。
• 并发标记：在多个线程中并行执行标记操作。

JVM性能调优包括：

• JVM参数配置：通过调整JVM参数来优化性能，如Xms、Xmx等。
• 内存泄漏诊断：使用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。

二、Spring Boot知识体系

自动配置

Spring Boot的自动配置功能可以自动配置Spring应用程序，减少开发者的配置工作。自动配置的实现原理如下：

1. @EnableAutoConfiguration：通过扫描类路径下的配置类，自动配置Spring应用程序。配置类通常以@Configuration注解标记，其中包含@ConfigurationProperties、@Bean等注解。

2. 条件化配置（@Conditional）：根据特定条件动态启用或禁用配置。条件化配置可以基于类路径、属性值、注解等条件进行。

3. 自定义Starter开发：自定义Starter可以简化依赖管理，提高开发效率。在自定义Starter中，需要定义一个名为spring-boot-starter-{name}的模块，并在其中声明所需的依赖。

4. 起步依赖：起步依赖是Spring Boot提供的预定义依赖，用于简化项目构建。起步依赖通常以spring-boot-starter-{name}的形式命名。

5. 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。在Spring Boot项目中，BOM文件通常以spring-boot-dependencies-pom.xml的形式存在。

6. 版本冲突解决：解决版本冲突的方法包括：使用依赖管理工具（如Maven或Gradle）的依赖树分析功能，手动指定依赖版本。

Actuator

Spring Boot的Actuator提供了一组端点，用于监控和管理应用程序。以下是一些常见的Actuator端点：

1. 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。通过访问/health端点，可以获取应用程序的健康信息。

2. 度量指标收集：度量指标收集用于收集应用程序的性能数据。通过访问/metrics端点，可以获取应用程序的度量指标。

3. 自定义Endpoint开发：自定义Endpoint允许开发者扩展Actuator的功能。通过实现org.springframework.boot.actuate.endpoint.Endpoint接口，可以创建自定义端点。

配置文件管理

Spring Boot使用配置文件来管理应用程序的配置信息。以下是一些常见的配置文件：

1. 多环境配置（application-{profile}.yml）：多环境配置允许为不同的环境（如开发、测试、生产）配置不同的配置文件。通过设置spring.profiles.active属性，可以激活特定的配置文件。

2. 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。通常，优先加载application.yml，然后是application-{profile}.yml。

3. 动态配置刷新：动态配置刷新允许在运行时更新配置信息。通过使用Spring Cloud Config或Spring Cloud Bus等技术，可以实现动态配置刷新。

监控与日志

Spring Boot提供了监控和日志管理功能。以下是一些常见的监控和日志管理功能：

1. Micrometer集成：Micrometer是一个度量指标库，可以与多种监控系统集成。通过使用Micrometer，可以轻松地将应用程序的性能数据发送到监控平台。

2. Logback/SLF4J配置：Logback和SLF4J是Java日志框架，Spring Boot支持与它们集成。通过配置logback-spring.xml或logback.xml文件，可以自定义日志记录行为。

分布式链路追踪扩展机制

Spring Boot支持分布式链路追踪，允许开发者追踪跨多个服务的请求。以下是一些常见的分布式链路追踪技术：

1. 自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点：自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点允许开发者扩展Spring Boot的自动配置功能。通过实现org.springframework.boot.autoconfigure.AutoConfigureAfter接口，可以自定义自动配置的加载顺序。

2. 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等库构建响应式应用程序。响应式编程可以提高应用程序的并发性能和可伸缩性。

通过以上对JVM和Spring Boot的深度解析，我们可以更好地理解这两个技术体系，并在实际项目中灵活运用。

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