JVM与Spring Boot解析

最新推荐文章于 2025-09-26 13:01:09 发布
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#Java # JVM # Spring Boot

📕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

Java虚拟机（JVM）是Java程序执行的平台，它负责将Java字节码转换为机器码执行。JVM知识体系涵盖了从类加载到垃圾回收的整个过程，下面将详细解析这一体系。

  1. 类加载机制

类加载机制是JVM的核心机制之一，它负责将Java源代码编译成字节码，并将字节码加载到JVM中。类加载过程包括以下几个步骤：

（1）加载：将类的.class文件读入内存，创建一个Class对象。具体实现上，JVM会使用类加载器（ClassLoader）来读取类文件，并将其转换成二进制数据。这个过程涉及到文件I/O操作、字节码解析等。

（2）连接：验证类信息、准备类变量、解析符号引用。连接阶段分为验证、准备和解析三个子阶段。验证阶段确保类的结构符合Java语言规范；准备阶段为类变量分配内存，并设置默认初始值；解析阶段将符号引用转换为直接引用。

（3）初始化：执行类构造器（ ()），初始化类变量。初始化阶段完成类的静态变量赋值、静态代码块执行等操作。

  1. 双亲委派模型

双亲委派模型是JVM类加载机制的核心原则，它要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都委托给父类加载器进行加载。这种模型确保了类加载的安全性，防止了恶意代码通过自定义类加载器破坏系统安全。

在双亲委派模型中，类加载器分为以下几类：

  • 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：负责加载Java核心库中的类，如rt.jar中的类。
  • 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：负责加载Java扩展库中的类，如jre/lib/ext目录下的类。
  • 应用程序类加载器（Application ClassLoader）：负责加载应用程序中的类，如项目中的jar包。
  1. 自定义类加载器

自定义类加载器可以让我们对类加载过程进行扩展，实现一些特殊需求。例如，可以实现热部署、加载特定格式的资源等。自定义类加载器需要继承ClassLoader类，并重写findClass方法，用于加载自定义类。

  1. 模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一个模块化系统，它将JVM和Java应用程序分解成多个模块，以降低系统复杂性，提高性能。模块化系统通过模块描述符（module-info.java）来定义模块的依赖关系、导出、使用等。

  1. 内存模型

JVM的内存模型包括以下几个部分：

（1）堆：存储几乎所有的Java对象实例，以及数组的元素。堆内存分为新生代和老年代，新生代用于存放新创建的对象，老年代用于存放长期存活的对象。

（2）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。

（3）方法区：存储已经被加载的类信息、常量、静态变量等。方法区是所有线程共享的。

（4）PC寄存器：存储指向当前执行线程下一条指令的指针。PC寄存器是线程私有的。

  1. 内存溢出场景分析

内存溢出是指程序在运行过程中消耗了过多的内存资源，导致JVM无法分配足够的内存。常见的内存溢出场景有：

（1）大量对象创建：例如，大量小对象的创建会导致内存碎片化，影响垃圾回收效率。

（2）大对象：例如，大数组或大数据结构会导致堆空间不足。

（3）内存泄漏：例如，未被释放的对象或资源，导致内存占用持续增加。

  1. 垃圾回收

垃圾回收是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资源。垃圾回收过程包括以下几个步骤：

（1）GC Roots可达性分析：从GC Roots开始，遍历所有可达对象，确定哪些对象是可达的。

（2）分代收集理论：将对象分为新生代（Young）、老年代（Old）和永久代（Perm），分别采用不同的回收策略。

（3）引用类型：包括强引用、软引用、弱引用和虚引用，它们在垃圾回收过程中的作用不同。

（4）垃圾回收算法：包括标记-清除、复制和整理算法。

（5）并发收集器：包括CMS（Concurrent Mark Sweep）、G1（Garbage-First）和ZGC（Z Garbage Collector）等。

（6）停顿时间控制策略：通过调整垃圾回收算法和策略，控制垃圾回收过程中的停顿时间。

（7）性能调优：通过JVM参数配置和监控工具，优化垃圾回收性能。

（8）内存泄漏诊断：通过分析堆转储文件、内存快照等，诊断内存泄漏问题。

（9）JIT编译优化：JVM在运行时对热点代码进行编译优化，提高程序执行效率。

二、Spring Boot知识体系

Spring Boot是Spring框架的一个子项目，它简化了Spring应用的创建和配置过程。下面将详细解析Spring Boot知识体系。

  1. 自动配置

Spring Boot通过自动配置机制，自动配置常用的Bean和依赖，减少手动配置的工作量。自动配置的原理是：

（1）@EnableAutoConfiguration注解：标记一个类为自动配置的启动类。Spring Boot会根据类路径下的jar包和配置文件，自动配置相关的Bean和依赖。

（2）条件化配置（@Conditional）：根据特定条件，有选择地配置Bean。例如，当存在某些依赖时，自动配置相应的Bean。

（3）自定义Starter：通过创建Maven或Gradle的Starter项目，简化依赖管理。Starter项目包含一组预定义的依赖，可以方便地集成到Spring Boot应用中。

  1. 起步依赖、依赖管理机制

Spring Boot使用起步依赖（Starters）简化了依赖管理。起步依赖包含了Spring Boot应用所需的全部依赖，通过Maven或Gradle的BOM（Bill of Materials）文件，可以确保依赖版本的一致性。

  1. 版本冲突解决

Spring Boot通过依赖管理机制，解决版本冲突问题。例如，使用Maven的依赖传递和排除机制，确保依赖版本的一致性。

  1. 第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式，例如：

（1）自动配置：通过自动配置机制，简化第三方库的集成。例如，集成MyBatis时，Spring Boot会自动配置相关Bean和依赖。

（2）配置属性：通过配置属性，自定义第三方库的行为。例如，配置数据库连接信息、MyBatis映射文件等。

（3）注解驱动：通过注解驱动，简化第三方库的使用。例如，使用MyBatis注解简化SQL编写。

  1. Actuator、健康检查端点

Spring Boot Actuator提供了一系列端点，用于监控和管理Spring Boot应用。健康检查端点可以让我们了解应用的运行状态。Actuator端点包括：

  • /health：返回应用的总体健康状态。
  • /health/**：返回特定组件的健康状态。
  • /metrics：返回应用的性能指标。
  1. 度量指标收集

Spring Boot Actuator支持度量指标收集，可以让我们了解应用的性能指标。度量指标包括：

  • JVM指标：如内存使用、线程数量等。
  • 应用指标：如请求处理时间、响应状态码等。
  1. 自定义Endpoint开发

通过实现Endpoint接口，可以自定义Spring Boot应用的端点。自定义端点可以提供更多监控和管理信息。

  1. 配置文件管理、多环境配置

Spring Boot支持配置文件管理，包括：

（1）application.yml：全局配置文件。包含应用的基本配置，如数据库连接信息、服务器端口等。

（2）application-{profile}.yml：多环境配置文件。根据不同的环境（如开发、测试、生产），使用不同的配置文件。

  1. 配置加载优先级

Spring Boot按照以下顺序加载配置文件：

（1）命令行参数。 （2）系统环境变量。 （3）配置文件。 （4）JVM系统属性。

  1. 动态配置刷新

Spring Boot支持动态配置刷新，可以让我们实时修改配置并应用到应用中。动态配置刷新需要使用Spring Cloud Config或Spring Cloud Bus等工具。

  1. 监控与日志

Spring Boot支持多种监控和日志框架，例如Micrometer、Logback和SLF4J。监控框架可以让我们了解应用的性能指标，日志框架可以记录应用运行过程中的日志信息。

  1. 分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，可以让我们了解应用间的调用关系。分布式链路追踪需要使用Zipkin、Jaeger等工具。

  1. 扩展机制

Spring Boot提供了多种扩展机制，例如：

（1）自定义AutoConfigurationBean：通过实现AutoConfigurePackage类，自定义自动配置的包。 （2）生命周期扩展点：通过实现InitializingBean和DisposableBean接口，扩展Bean的生命周期。

  1. 响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，可以让我们使用Reactor、Project Reactor等响应式编程框架。响应式编程可以提升应用的性能和可扩展性。

总结

本文详细解析了JVM和Spring Boot知识体系，从类加载机制、内存模型、垃圾回收到Spring Boot的自动配置、监控与日志等。通过这些知识点的串联，我们可以更好地理解Java应用开发和性能调优。在实际应用中，我们需要结合具体场景，灵活运用这些知识，提高开发效率和系统性能。

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