JVM & Spring Boot 深度解析-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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JVM知识体系详解

类加载机制

Java虚拟机（JVM）中的类加载机制是Java语言实现动态类型语言的关键，它涉及了从字节码到运行时数据结构的转换过程。这一机制确保了Java应用程序能够高效、安全地运行。

类加载过程

类加载过程是JVM启动时最重要的初始化步骤之一，它可以分为三个主要阶段：加载、连接和初始化。

加载（Loading）：类加载器负责将类定义数据从.class文件读取到JVM中，并为之创建一个java.lang.Class对象。加载过程包括以下步骤：
- 找到.class文件的存储位置。
- 读取.class文件内容。
- 创建Class对象，存储类信息。
连接（Linking）：连接阶段包括验证、准备和解析三个步骤，确保类在运行时的正确性。
- 验证：检查类文件的结构是否符合JVM规范，确保没有安全风险。
- 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，例如将方法句柄转换为指向方法代码的直接引用。
初始化（Initialization）：初始化阶段为类的静态变量赋予正确的初始值，并执行静态代码块。

双亲委派模型

双亲委派模型是JVM类加载机制的核心，它规定了类加载器的层次结构。在双亲委派模型中，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。当需要加载某个类时，首先由父类加载器加载，如果父类加载器无法加载，则由子类加载器加载。

自定义类加载器

在特定场景下，如实现模块化系统或插件扩展时，需要自定义类加载器。自定义类加载器可以继承java.lang.ClassLoader类，并重写findClass方法。通过自定义类加载器，可以实现特定的类加载逻辑，例如实现热部署功能。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的模块化系统，它提供了一种更细粒度的资源隔离和依赖管理方式。JPMS通过模块定义文件（module-info.java）来声明模块的依赖关系，从而实现了模块间的隔离和依赖管理。

内存模型

JVM的内存模型分为运行时数据区和非运行时数据区，它们各自扮演着不同的角色。

运行时数据区

堆（Heap）：存储所有类实例和数组的内存区域，是JVM中最大的内存区域。堆的内存分配是动态的，垃圾回收器主要工作在堆上。
栈（Stack）：存储线程执行时的局部变量表、操作数栈、方法出口等信息。栈内存分配是线程私有的，每个线程都有自己的栈空间。
方法区（Method Area）：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：用于存储当前线程所执行的指令的地址。PC寄存器是线程私有的。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在堆空间不足时，可能由以下原因导致：

创建的对象过多，导致堆空间不足。
长期持有大对象，导致堆空间无法释放。
内存泄漏，导致可用内存逐渐减少。

直接内存管理

直接内存（Direct Memory）是JVM堆空间之外的内存区域，用于存储大对象或频繁交互的数据，如NIO缓冲区。直接内存不受垃圾回收器的管理，因此需要谨慎使用。

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。

GC Roots可达性分析

GC Roots是一组特殊的对象，它们是GC垃圾回收的起点。只有从GC Roots开始，不可达的对象才被认为是垃圾。常见的GC Roots包括：

虚拟机栈中的引用变量。
方法区中的常量引用。
本地方法栈中的引用变量。

分代收集理论

JVM将内存分为新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。

新生代：存放新创建的对象，垃圾回收频率高。新生代使用复制算法进行垃圾回收，分为三个区域：eden区、survivor区、from/to区。
老年代：存放存活时间较长的对象，垃圾回收频率低。老年代使用标记-清除（Mark-Sweep）或标记-整理（Mark-Compact）算法进行垃圾回收。

引用类型

Java中的引用类型包括强引用、软引用、弱引用和虚引用。

强引用：最常见的引用类型，不会被垃圾回收。
软引用：可以用于缓存，垃圾回收器在内存不足时会回收。
弱引用：类似于软引用，但垃圾回收器更倾向于回收。
虚引用：没有任何实际作用，仅用于跟踪对象。

垃圾回收算法

标记-清除（Mark-Sweep）：分为标记和清除两个阶段，标记阶段标记所有可达对象，清除阶段回收未被标记的对象。
复制（Copying）：将内存分为两块，每次只使用其中一块，垃圾回收时复制存活对象到另一块。
整理（Mark-Compact）：标记-清除的改进版，将存活对象移动到内存的一端，释放内存空间。

并发收集器

CMS（Concurrent Mark Sweep）：一种以最短停顿时间为目标的并发收集器，在垃圾回收期间可以响应应用程序的请求。
G1（Garbage-First）：一种面向服务端应用的垃圾回收器，将堆内存划分为多个区域，优先回收垃圾最多的区域。
ZGC（Z Garbage Collector）：一种低延迟的垃圾回收器，适用于多核处理器。

停顿时间控制策略

JVM提供了多种停顿时间控制策略，如CMS的并行清理、G1的并发标记和并发清理等。通过调整这些策略，可以控制垃圾回收的停顿时间，以满足不同场景的需求。

性能调优

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）来诊断内存泄漏。

JIT编译优化

JIT编译器是JVM的一部分，它将字节码编译成本地机器码，以提高性能。JIT编译器通过静态分析、动态分析等技术，生成高效的本地代码，从而提升Java应用程序的执行效率。

Spring Boot知识体系详解

自动配置

Spring Boot的自动配置功能可以自动配置Spring应用程序，减少了手动配置的工作量。自动配置的核心是@EnableAutoConfiguration注解。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解通过读取类路径下的META-INF/spring.factories文件来发现和启用自动配置类。spring.factories文件中包含了所有可用的自动配置类及其对应的配置条件。

条件化配置（@Conditional）

条件化配置允许根据特定的条件来启用或禁用自动配置。例如，可以使用@ConditionalOnClass注解来指定当存在某个类时才启用自动配置。

自定义Starter开发

自定义Starter可以帮助开发者将库或模块集成到Spring Boot项目中。自定义Starter需要创建一个包含所有依赖的jar包，并使用spring-boot-starter作为前缀。

起步依赖

起步依赖（Starters）是一组预定义的依赖，可以简化项目构建。例如，spring-boot-starter-web提供了Web应用程序所需的依赖。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM（Bill of Materials）文件用于管理依赖版本，确保不同模块之间的依赖版本一致。BOM文件包含了所有依赖的版本信息，可以避免版本冲突。

版本冲突解决

使用BOM文件或手动指定依赖版本来解决版本冲突。手动指定依赖版本时，需要确保所有依赖的版本兼容。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式，如自动配置、依赖注入等。例如，可以使用@Bean注解来定义第三方库的Bean。

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

健康检查端点可以用来检查应用程序的健康状态。通过自定义健康指标，可以更全面地了解应用程序的健康状况。

度量指标收集

Actuator可以收集应用程序的度量指标，如内存使用情况、线程信息等。这些度量指标可以用于性能分析和监控。

自定义Endpoint开发

可以自定义Endpoint来扩展Actuator的功能。自定义Endpoint可以提供自定义的监控和管理信息。

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。

多环境配置（application-{profile}.yml）

Spring Boot支持多环境配置，可以通过设置spring.profiles.active来切换环境。多环境配置可以方便地管理不同环境下的配置信息。

配置加载优先级

配置文件的加载优先级如下：application.yml > application-{profile}.yml。这样可以确保不同环境的配置信息不会相互干扰。

动态配置刷新

Spring Boot支持动态配置刷新，允许在运行时修改配置并重新加载。动态配置刷新可以方便地调整应用程序的配置，而无需重新启动应用程序。

监控与日志

Spring Boot提供了多种监控和日志解决方案。

Micrometer集成

Micrometer是一个度量指标收集库，可以与Spring Boot集成。通过Micrometer，可以将应用程序的度量指标发送到不同的监控系统，如Prometheus、Grafana等。

Logback/SLF4J配置

Spring Boot默认使用Logback作为日志框架，可以配置SLF4J作为日志抽象层。通过配置Logback和SLF4J，可以灵活地管理应用程序的日志输出。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin、Jaeger等。分布式链路追踪可以帮助开发者了解应用程序的调用链路，从而快速定位问题。

扩展机制

Spring Boot提供了多种扩展机制，如自定义AutoConfiguration、Bean生命周期扩展点等。通过扩展机制，可以自定义Spring Boot的行为，满足特定的需求。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，可以通过@SpringBootApplication注解启用。响应式编程可以提升应用程序的并发性能，提高系统吞吐量。

通过以上对JVM和Spring Boot知识体系的详细解析，我们可以看到这两个技术体系是如何相互关联和影响的。JVM作为Java应用程序的运行环境，为Spring Boot提供了基础；而Spring Boot则构建在JVM之上，提供了更加便捷的开发体验。了解这些知识，有助于我们更好地开发、优化和扩展Java应用程序。

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