JVM与Spring Boot知识体系-优快云博客

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📘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

在深入探讨JVM（Java虚拟机）的相关知识点之前，我们需要构建一个全面的JVM知识体系，这个体系将涵盖类加载机制、内存模型、垃圾回收、性能调优等多个关键方面。

类加载机制

类加载机制是JVM的核心组成部分之一，负责将Java类字节码加载到JVM中，并为其创建运行时的内存表示形式。

类加载过程

类加载过程分为三个阶段：加载、连接、初始化。

加载：这个过程涉及类文件的读取和Class对象的创建。JVM使用类加载器（ClassLoader）来完成这个任务。在加载过程中，类加载器首先将.class文件从文件系统或网络等输入流中读取，然后通过解析.class文件的内容，生成一个Class对象。在这个过程中，类加载器会执行以下步骤：
1. 验证：确保.class文件的字节码符合JVM规范，没有安全问题。
2. 准备：为类变量分配内存，并设置默认初始值。
3. 解析：将符号引用转换为直接引用。
连接：这个过程包括验证、准备和解析的后续处理。验证确保类的正确性，准备为类变量分配内存，解析将符号引用转换为直接引用。
- 验证：确保类在运行时不会对JVM的安全造成威胁，包括字节码验证、符号引用验证等。
- 准备：为类变量分配内存，并设置默认初始值。
- 解析：将符号引用转换为直接引用。
初始化：执行类字节的<clinit>()方法，为静态变量赋予初始值。这个阶段是初始化类的重要阶段，它包括初始化静态变量、执行静态代码块等。

双亲委派模型

双亲委派模型是一种安全机制，要求类加载器首先尝试加载类之前，先请求其父类加载器进行加载。只有当父类加载器无法完成加载任务时，才由子类加载器尝试加载。这种模型可以避免类的重复加载，同时保证了类型的安全。

自定义类加载器

开发者可以通过实现ClassLoader接口或继承URLClassLoader等类来创建自定义类加载器，实现类的动态加载。自定义类加载器可以用于加载特定来源的类，例如从网络、数据库或加密文件中加载类。

模块化系统（JPMS）

随着Java 9的发布，模块化系统（JPMS）被引入，它允许将代码划分为多个模块，提高系统的稳定性和安全性。模块化系统通过模块描述文件（module-info.java）来定义模块的依赖关系和模块的可见性。

内存模型

JVM的内存模型由运行时数据区组成，包括堆、栈、方法区和PC寄存器等。

运行时数据区

堆：所有线程共享的区域，用于存放对象实例。堆是垃圾回收的主要区域，因此垃圾回收算法对堆的管理至关重要。
栈：每个线程独立拥有，用于存放局部变量和方法调用的信息。栈是线程私有的，因此栈空间的分配和回收对线程的运行效率有很大影响。
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。方法区是共享的，因此方法区的管理对整个JVM的性能有很大影响。
PC寄存器：每个线程都有一个程序计数器，用于指示下一条要执行的指令。PC寄存器是线程私有的，因此PC寄存器的管理对线程的执行效率有很大影响。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在堆空间不足时，可能由于对象创建过多、对象生命周期过长或内存泄漏等原因导致。内存溢出会导致JVM崩溃，因此需要通过代码审查、内存分析工具等手段来预防和解决内存溢出问题。

直接内存管理

JVM还提供了一种直接内存管理机制，允许应用程序直接在本地内存中分配内存，这部分内存不受堆空间限制。直接内存管理可以提高大对象处理的效率，但需要谨慎使用，以避免内存泄漏。

垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动回收不再使用的对象所占用的内存的过程。

GC Roots可达性分析

GC Roots是垃圾回收的起点，包括活跃的线程、栈帧中的引用变量、方法区中的静态变量等。通过从GC Roots开始，向上遍历可达的对象，可以确定哪些对象是可达的，哪些对象是不可达的。

分代收集理论

为了提高垃圾回收效率，JVM将对象分为几代：新生代（Young）、老年代（Old）和永久代（Perm，在Java 8中已废弃，在Java 11中完全移除）。不同代的对象具有不同的生命周期和回收策略。

引用类型

Java中的引用类型分为四种：强引用、软引用、弱引用和虚引用。不同类型的引用对垃圾回收有不同的影响。

垃圾回收算法

常见的垃圾回收算法包括标记-清除、复制和整理算法。每种算法都有其优缺点，适用于不同的场景。

并发收集器

JVM提供了多种并发收集器，如CMS（Concurrent Mark Sweep）和G1（Garbage-First）。并发收集器可以在应用程序运行时进行垃圾回收，从而减少应用程序的停顿时间。

停顿时间控制策略

为了减少垃圾回收带来的停顿时间，JVM提供了多种策略，如G1的暂停预测和CMS的并行标记。

性能调优

通过JVM参数配置（如-Xms、-Xmx等）和内存泄漏诊断工具，可以对JVM进行性能调优。性能调优的目标是提高应用程序的运行效率，减少资源消耗。

二、Spring Boot知识体系

Spring Boot是一个开源的Java框架，旨在简化Spring应用的初始搭建以及开发过程。

自动配置

Spring Boot的核心特性之一是自动配置，它能够根据添加的jar依赖自动配置Bean。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解通过扫描类路径下的META-INF/spring.factories文件来发现并配置相关的Bean。spring.factories文件中定义了所有可用的自动配置类，Spring Boot会根据类路径下的jar依赖自动选择合适的自动配置类。

条件化配置（@Conditional）

@Conditional注解用于根据特定的条件是否满足来决定是否创建Bean。例如，可以通过@ConditionalOnClass、@ConditionalOnMissingBean等注解来指定条件。

自定义Starter开发

开发者可以通过创建自定义Starter来提供依赖管理和自动配置。自定义Starter可以包含必要的jar依赖和自动配置类，以便其他开发者可以通过添加依赖来使用自定义功能。

起步依赖

Spring Boot的起步依赖提供了常用库的依赖关系，简化了依赖管理。起步依赖可以自动导入相关库的依赖关系，避免了手动配置依赖。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM（Bill of Materials）文件定义了项目的依赖关系，确保项目中的所有组件保持一致的版本。BOM文件可以用于解决版本冲突问题。

版本冲突解决

通过使用BOM文件和Spring Boot的依赖树分析，可以解决版本冲突问题。依赖树分析可以帮助开发者了解项目中的依赖关系，以及依赖之间的版本冲突。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式，如starter依赖和@Configuration注解。starter依赖可以简化第三方库的集成，而@Configuration注解可以手动配置第三方库。

Actuator

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

健康检查端点

健康检查端点允许用户检查应用的运行状态。通过访问/health端点，可以获取应用的运行状态信息。

度量指标收集

Actuator可以收集应用的度量指标，如内存使用、CPU使用率等。这些度量指标可以用于监控应用的性能。

自定义Endpoint开发

开发者可以创建自定义的Endpoint来提供额外的监控信息。自定义Endpoint可以扩展Actuator的功能，使其更符合特定需求。

配置文件管理

Spring Boot支持多环境配置，通过不同的配置文件来适应不同的环境。

多环境配置（application-{profile}.yml）

使用application-{profile}.yml文件，可以针对不同的环境（如开发、测试、生产）进行配置。通过设置不同的profile，可以切换不同的配置文件。

配置加载优先级

Spring Boot按照优先级顺序加载配置文件，通常是application.yml、application-{profile}.yml。优先级高的配置文件会覆盖优先级低的配置文件。

动态配置刷新

Spring Boot支持动态刷新配置文件，使得在应用运行时可以更改配置而无需重启应用。动态配置刷新可以用于实现配置的热更新。

监控与日志

Spring Boot集成了Micrometer用于度量指标收集，以及Logback/SLF4J用于日志配置。

分布式链路追踪扩展机制

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的运行情况，以及请求在不同服务之间的传递路径。

自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点

开发者可以通过实现特定的接口来扩展Spring Boot的AutoConfiguration生命周期。这可以用于实现更复杂的自动配置逻辑。

响应式编程支持

Spring Boot 5引入了对响应式编程的支持，通过Spring WebFlux框架实现。响应式编程可以提供更好的性能和可伸缩性。

总结

通过对JVM和Spring Boot知识体系的深入理解，我们可以更好地开发和优化Java应用。从JVM的类加载机制和内存模型，到垃圾回收和性能调优，再到Spring Boot的自动配置和扩展机制，这些知识点相互关联，共同构成了Java生态系统的一部分。掌握这些知识点，可以帮助我们开发出高性能、可维护的Java应用。

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