JVM与Spring Boot核心解析

最新推荐文章于 2025-09-26 13:01:09 发布

原创最新推荐文章于 2025-09-26 13:01:09 发布 · 884 阅读

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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。

📙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。

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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JVM知识体系

类加载机制

在Java虚拟机（JVM）中，类加载机制扮演着至关重要的角色，它负责将Java源代码编译生成的.class文件转换成JVM能够识别的字节码，进而执行。这一机制确保了Java程序的“一次编写，到处运行”的特性。类加载过程主要分为以下几个步骤：

加载（Loading）：在这一阶段，类加载器负责将类文件字节码从文件系统或网络中读取到JVM中。具体实现上，JVM使用类加载器（如Bootstrap ClassLoader、Extension ClassLoader和App ClassLoader）来加载类。Bootstrap ClassLoader负责加载核心类库，如rt.jar，而Extension ClassLoader和App ClassLoader则负责加载应用程序中的类。
连接（Linking）：连接过程主要包括验证、准备和解析三个阶段。验证阶段确保类文件的字节码结构是正确的，包括字节码的合法性、数据类型的正确性以及符号引用的合法性等。准备阶段为类变量分配内存并设置初始值，这些初始值通常为0或null。解析阶段将符号引用转换为直接引用，即把类、接口、字段和方法的符号引用转换为直接引用。
初始化（Initialization）：初始化阶段是执行类构造器 ()的过程。这个方法由编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态代码块中的语句合并产生。需要注意的是， ()方法只会在类加载过程中被执行一次，且执行顺序是按照代码从上到下的顺序。

双亲委派模型

双亲委派模型是Java类加载机制的核心设计之一，它要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。当一个类加载器请求加载一个类时，首先将请求委派给父类加载器，只有当父类加载器无法完成加载任务时，子类加载器才会尝试加载。这种设计确保了Java程序的安全性和稳定性，避免了类加载过程中的冲突。

自定义类加载器

在JVM中，除了默认的类加载器外，还可以自定义类加载器。自定义类加载器允许开发者控制类的加载过程，实现一些特殊的功能，如实现热部署、加载特定协议的文件等。自定义类加载器需要继承自java.lang.ClassLoader类，并重写findClass()方法来加载类。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一种模块化系统，它旨在提高Java平台的模块化程度，使得Java程序更加易于管理和部署。JPMS通过模块定义文件（module-info.java）来定义模块的依赖关系和提供的服务。模块化系统将类库和应用程序分离，使得类库可以独立于应用程序进行更新和升级。

内存模型

JVM的内存模型由以下几个部分组成：

运行时数据区：包括堆、栈、方法区和PC寄存器。
- 堆：存储几乎所有的对象实例和数组的内存区域。堆内存是动态分配的，垃圾回收主要在堆内存中进行。
- 栈：存储局部变量表、操作数栈、方法出口等信息。栈内存是线程私有的，每个线程都有自己的栈内存。
- 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。方法区是全局共享的，所有线程共享同一个方法区。
- PC寄存器：用于存储指向下一条指令的地址。每个线程都有自己的PC寄存器。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在以下场景：

堆内存溢出：当堆内存不足时，无法创建新的对象。解决方法包括增加JVM堆内存大小、优化代码以减少对象创建、使用弱引用或软引用等。
方法区溢出：当方法区内存不足时，无法加载新的类。解决方法包括增加JVM方法区大小、优化代码以减少类加载、使用自定义类加载器等。
栈溢出：当栈内存不足时，无法创建新的栈帧。解决方法包括增加JVM栈内存大小、优化代码以减少方法调用、使用栈大小较小的JVM实现等。

垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动管理内存的一种机制。它通过回收不再使用的对象来释放内存，提高程序性能。垃圾回收算法主要分为以下几种：

标记-清除算法：首先标记所有可达对象，然后清除未被标记的对象。
标记-整理算法：在标记-清除算法的基础上，对堆内存进行整理，提高内存利用率。
复制算法：将堆内存划分为两个部分，每次只使用其中一个部分，当这部分用完后，将存活的对象复制到另一部分，并清空原部分。
分代收集理论：将对象分为新生代和老年代，针对不同代使用不同的回收策略。

并发收集器

JVM提供了多种并发收集器，如CMS（Concurrent Mark Sweep）、G1（Garbage-First）和ZGC（Z Garbage Collector），它们旨在减少停顿时间。并发收集器在执行垃圾回收时，尽量减少对应用程序的干扰，提高系统性能。

停顿时间控制策略

为了减少垃圾回收带来的停顿时间，JVM提供了多种控制策略，如G1的Region-based和ZGC的Region-based。这些策略通过优化垃圾回收算法和调整垃圾回收参数来减少停顿时间。

性能调优

JVM性能调优主要包括以下几个方面：

JVM参数配置：通过调整JVM启动参数（如-Xms、-Xmx）来优化内存使用。
内存泄漏诊断：通过分析堆转储文件（Heap Dump）来诊断内存泄漏。
JIT编译优化：JIT编译器会根据运行时信息对代码进行优化，提高程序性能。

Spring Boot知识体系

自动配置

Spring Boot通过自动配置来简化Spring应用的配置过程。它通过条件化配置和自动配置原理来实现。自动配置原理主要基于以下几个步骤：

条件化配置：Spring Boot使用@Conditional注解来控制某些配置是否生效，如@ConditionalOnClass、@ConditionalOnMissingBean等。
自动配置原理：Spring Boot在启动时，会根据类路径下jar包中的Maven依赖，利用@EnableAutoConfiguration注解自动配置相关组件。

起步依赖

Spring Boot使用起步依赖（Starters）来简化依赖管理。起步依赖是预先配置好的Maven依赖，包含了构建Spring应用所需的库。例如，spring-boot-starter-web起步依赖包含了Spring MVC、Tomcat等依赖。

依赖管理机制

Spring Boot使用Maven BOM（Bill of Materials）文件来统一依赖版本，解决版本冲突问题。Maven BOM文件定义了所有依赖的版本，确保了不同项目之间的依赖版本一致性。

第三方库集成模式

Spring Boot提供了多种集成第三方库的模式，如使用@AutoConfigurePackage或@AutoConfigureImportResource注解。这些注解可以帮助开发者简化第三方库的集成过程。

Actuator

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

健康检查端点：用于检查应用的健康状态。
度量指标收集：用于收集应用的各种指标。
自定义Endpoint开发：允许开发者自定义端点。

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）来区分不同环境的配置。Spring Boot会根据当前激活的配置文件来加载配置信息。

监控与日志

Spring Boot集成了Micrometer和Logback/SLF4J等监控和日志库。Micrometer用于收集和导出应用指标，而Logback/SLF4J用于配置日志级别、格式等。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin和Jaeger。分布式链路追踪可以帮助开发者了解应用之间的调用关系，定位问题。

扩展机制

Spring Boot提供了多种扩展机制，如自定义AutoConfigurationBean、生命周期扩展点等。这些扩展机制允许开发者根据需求扩展Spring Boot的功能。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，如使用WebFlux框架来构建非阻塞的Web应用。响应式编程可以提高应用程序的性能和可扩展性。

通过以上知识点的串联，我们可以更好地理解JVM和Spring Boot的工作原理，并在实际项目中灵活运用这些技术。

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Java程序员廖志伟

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