JVM与Spring Boot揭秘-优快云博客

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📕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）、《解密程序员的思维密码——沟通、演讲、思考的实践》作者、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。

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Java程序员廖志伟

💡在这个美好的时刻，笔者不再啰嗦废话，现在毫不拖延地进入文章所要讨论的主题。接下来，我将为大家呈现正文内容。

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一、JVM知识体系

类加载机制

类加载机制在JVM中扮演着至关重要的角色，它确保了Java程序的动态性和安全性。在类加载过程中，JVM会遵循以下步骤：

加载（Loading）：类加载器首先会在系统类路径（Classpath）中查找指定的类或接口的.class文件。这个过程涉及到文件定位、字节码读取和Class对象创建。
验证（Verification）：验证器会检查.class文件的字节码，确保其符合JVM规范，没有安全风险。这包括检查类文件的格式、字节码的合法性、符号引用的准确性等。
准备（Preparation）：为类变量分配内存，并将其初始化为默认值（对于基础类型是0，对于对象引用是null）。
解析（Resolution）：将符号引用转换为直接引用，如将类、接口、字段和方法的符号引用替换为直接引用。

双亲委派模型

双亲委派模型是一种安全机制，它确保了Java类库的稳定性和安全性。在双亲委派模型中，类加载器首先请求其父类加载器加载类，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类。

启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：负责加载<JAVA_HOME>/lib目录中的核心库和JRE库。
扩展类加载器（Extension ClassLoader）：负责加载<JAVA_HOME>/lib/ext目录中的类库和JAR包。
应用程序类加载器（Application ClassLoader）：负责加载用户应用程序目录中的类库。

自定义类加载器

自定义类加载器允许开发者实现特定的类加载逻辑，例如实现文件过滤器、实现特定的类转换逻辑或加载特定格式的类文件。

继承ClassLoader类：自定义类加载器需要继承ClassLoader类并重写findClass方法。
实现类转换逻辑：在findClass方法中实现将类文件转换为字节码的逻辑。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）通过模块的概念来组织代码，它允许开发者将应用程序分解成多个模块，每个模块包含一组相关的类和资源。

模块定义文件（module-info.java）：每个模块都需要一个模块定义文件，用于声明模块的依赖关系、模块的公开API等。
模块路径：模块路径定义了模块的查找顺序，它可以是文件系统路径或网络路径。

内存模型

JVM的内存模型设计是为了提高性能和资源利用率。以下是JVM内存模型的详细说明：

堆（Heap）：堆是JVM中最大的内存区域，用于存储所有类实例和数组的对象。
栈（Stack）：每个线程都有自己的栈，用于存储局部变量和方法调用栈。
方法区（Method Area）：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：PC寄存器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

内存溢出是Java程序中常见的问题，以下是几种常见的内存溢出场景：

堆内存溢出：由于创建的对象过多或对象生命周期过长，导致堆内存不足。
栈内存溢出：由于方法调用深度过大或递归调用过深，导致栈内存不足。
方法区内存溢出：由于加载的类过多或类定义过大，导致方法区内存不足。

垃圾回收

垃圾回收是JVM自动管理内存的重要机制，以下是垃圾回收的关键概念：

GC Roots可达性分析：从GC Roots开始，向上遍历可达对象，不可达对象将被回收。
分代收集理论：将堆内存分为年轻代（Young）和老年代（Old），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，它们在垃圾回收中的角色不同。
垃圾回收算法：常见的算法有标记-清除、复制和整理算法。

并发收集器

并发收集器允许GC与应用程序的运行同时进行，常见的有CMS（Concurrent Mark Sweep）和G1（Garbage-First）。

CMS（Concurrent Mark Sweep）：CMS收集器旨在减少停顿时间，它通过并行标记和清理阶段来减少停顿时间。
G1（Garbage-First）：G1收集器是一种基于Region的收集器，它将堆内存划分为多个区域，并优先回收垃圾回收价值最高的区域。

停顿时间控制策略

为了减少GC对应用程序性能的影响，JVM提供了多种停顿时间控制策略。

自适应大小调整：JVM会根据应用程序的性能自动调整堆大小，以减少停顿时间。
并发标记：通过并发执行标记阶段来减少停顿时间。

性能调优

性能调优包括JVM参数配置和内存泄漏诊断。

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：使用工具（如VisualVM、MAT等）来诊断和修复内存泄漏。

JIT编译优化

JIT编译器可以将字节码即时编译成本地机器码，从而提高程序运行效率。

编译触发：JIT编译器会在特定的条件下触发编译，例如热点代码检测。
编译优化：JIT编译器会进行各种优化，如内联、循环优化、分支预测等。

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注解驱动的，它允许框架根据添加的jar依赖自动配置Spring应用程序。

条件注解：Spring Boot使用条件注解（如@ConditionalOnClass、@ConditionalOnBean等）来决定是否启用特定的配置。
自动配置原理：Spring Boot会扫描类路径下的jar包，根据类名、注解等条件自动配置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。

创建Starter项目：创建一个Maven项目，并将spring-boot-starter作为父项目。
添加依赖：将第三方库的依赖添加到Starter项目中。
创建自动配置类：创建一个自动配置类，用于配置第三方库。

起步依赖

起步依赖是Spring Boot提供的依赖管理机制，它简化了依赖的添加和版本管理。

起步依赖声明：在pom.xml文件中使用<dependencyManagement>标签声明起步依赖。
依赖版本管理：使用BOM文件来定义项目依赖的版本，确保项目中的所有依赖版本一致。

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，确保项目中的所有依赖版本一致。

BOM文件格式：BOM文件是一个XML文件，它包含了一系列依赖项及其版本信息。
BOM文件使用：在Maven项目中，可以使用<dependencyManagement>标签引入BOM文件。

版本冲突解决

通过使用BOM文件和依赖管理策略，可以有效地解决版本冲突问题。

版本冲突检测：Maven会自动检测版本冲突，并提出解决方案。
依赖排除：可以使用<exclusions>标签排除特定的依赖。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库的集成模式，包括自动配置、配置文件和注解驱动。

自动配置：通过自动配置类来集成第三方库。
配置文件：通过配置文件来配置第三方库。
注解驱动：通过注解来驱动第三方库的集成。

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，包括运行时状态、依赖状态等。
度量指标收集：收集应用程序的性能指标，如CPU使用率、内存使用率等。
自定义Endpoint开发：允许开发者自定义端点来满足特定需求。

配置文件管理

Spring Boot使用配置文件来管理应用程序的配置，支持多环境配置。

多环境配置：使用application-{profile}.yml文件来定义不同环境的配置。
配置加载优先级：配置文件的加载顺序和优先级。
动态配置刷新：支持动态刷新配置文件。

监控与日志

Spring Boot集成了Micrometer和Logback/SLF4J等工具，用于监控和记录应用程序的运行状态。

Micrometer：用于收集应用程序的性能指标。
Logback/SLF4J：用于记录应用程序的日志信息。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin和Jaeger。

Zipkin：用于收集和可视化分布式系统的链路追踪信息。
Jaeger：用于收集和存储分布式系统的链路追踪信息。

扩展机制

Spring Boot提供了多种扩展机制，包括自定义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Bean。
生命周期扩展点：允许开发者扩展Spring Boot的生命周期。

响应式编程支持

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

Spring WebFlux：用于构建异步、非阻塞的Web应用程序。

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技术是如何相互关联和影响的。JVM作为Java程序的运行环境，为Spring Boot提供了底层的运行时支持，而Spring Boot则利用JVM的特性，简化了Java应用的开发和部署。在实际应用中，开发者需要根据具体需求，合理配置和优化JVM和Spring Boot，以达到最佳的性能和稳定性。

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Java程序员廖志伟

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