JVM & Spring Boot 深度解析-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）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。

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JVM知识体系详解

1. 类加载机制

类加载机制是JVM的核心机制之一，它确保了在运行时，Java类能够被正确地加载、连接和初始化。类加载过程涉及以下几个关键步骤：

加载：类加载器负责将类的.class文件从文件系统、JAR文件或网络等源加载到JVM中。这个过程中，类加载器会检查类的存在性，并生成一个代表类的Class对象。
- 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：负责加载<JAVA_HOME>/lib目录中的核心类库，如rt.jar。
- 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：负责加载<JAVA_HOME>/lib/ext目录或由系统变量java.ext.dirs指定的目录中的类库。
- 应用程序类加载器（Application ClassLoader）：负责加载用户类路径（classpath）中的类库。
连接：连接过程包括验证、准备和解析三个阶段。
- 验证：确保类文件的字节码正确无误，没有安全问题，如访问权限验证、字节码结构验证等。
- 准备：为类变量分配内存，并设置默认初始值。对于static变量，初始值通常是默认值，如0、false或null。
- 解析：将符号引用转换为直接引用，如将类名、接口名、字段名和方法的符号引用转换为指向方法区的指针。
初始化：初始化类变量，执行静态代码块，包括显式初始化代码和默认构造器。

2. 双亲委派模型

双亲委派模型要求子类加载器首先委派给父类加载器进行类加载，只有当父类加载器无法加载时，才由子类加载器尝试加载。这种模型的目的是确保类型安全，避免类的重复定义。

3. 自定义类加载器

开发者可以通过继承ClassLoader类或实现ClassLoading接口来创建自定义类加载器，以满足特定需求。

4. 模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是JVM 9引入的模块化系统，它通过模块的概念将类库和应用程序组织成独立的模块，实现模块间的隔离。

模块：一个模块是一个独立的单元，包含一组类和资源，具有明确的边界。
模块描述符：模块描述符定义了模块的版本、依赖关系和其他元数据。
模块路径：模块路径定义了模块的搜索顺序。

5. 内存模型

JVM的内存模型包括运行时数据区和程序计数器。

运行时数据区：
- 堆：存储对象实例，是动态分配的，由垃圾回收器管理。
- 栈：存储局部变量和部分方法代码，是线程私有的，每个线程都有自己的栈。
- 方法区：存储类信息、常量、静态变量等，是所有线程共享的。
- PC寄存器：每个线程都有一个PC寄存器，用于存储当前线程所执行的字节码指令的地址。

6. 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：创建大量对象导致堆内存不足。
栈内存溢出：递归调用方法过多导致栈空间不足。

7. 垃圾回收

垃圾回收是JVM自动回收不再使用的对象所占用的内存空间的过程。

GC Roots可达性分析：从GC Roots开始，遍历所有可达对象，确定哪些对象需要回收。
分代收集理论：
- Young区：存储新生代对象，采用复制算法。
- Old区：存储老年代对象，采用标记-清除、标记-整理或标记-复制算法。

8. 引用类型

引用类型包括强引用、软引用、弱引用和虚引用。

强引用：不会被垃圾回收器回收。
软引用：可以被垃圾回收器回收，但优先级较低。
弱引用：可以被垃圾回收器回收，但优先级更高。
虚引用：无法访问其指向的对象，只能通过引用队列获取。

9. 垃圾回收算法

标记-清除算法：分为标记和清除两个阶段。
复制算法：将内存分为两个大小相等的区域，每次只使用一个区域。
标记-整理算法：在标记-清除算法的基础上，增加整理步骤。

10. 并发收集器

并发收集器允许垃圾回收线程与用户线程同时运行，减少停顿时间。

CMS（Concurrent Mark Sweep）：采用标记-清除算法，适用于并发场景。
G1（Garbage-First）：采用标记-整理算法，适用于大内存场景。
ZGC（Z Garbage Collector）：采用标记-整理算法，适用于小内存场景。

11. 停顿时间控制策略

JVM提供多种停顿时间控制策略，如CMS的并发标记清除、G1的并发标记整理等。

12. 性能调优

性能调优包括JVM参数配置、内存泄漏诊断和JIT编译优化。

JVM参数配置：通过配置JVM参数，如Xms、Xmx等，优化内存使用。
内存泄漏诊断：通过分析堆转储文件、线程转储文件等，找出内存泄漏原因。
JIT编译优化：JIT编译器对Java字节码进行优化，提高程序执行效率。

Spring Boot知识体系详解

1. 自动配置

Spring Boot通过自动配置，自动识别并配置依赖的Spring组件。

@EnableAutoConfiguration：Spring Boot主类上添加该注解，启用自动配置。
条件化配置（@Conditional）：根据特定条件，选择性地应用配置。
自定义Starter：将常用的依赖和配置封装成一个Starter，简化项目依赖管理。

2. 起步依赖

起步依赖是Spring Boot的核心概念，通过引入起步依赖，自动管理项目依赖，减少配置。

3. 依赖管理机制（BOM文件）

BOM（Bill of Materials）文件定义了项目依赖的版本信息，确保项目依赖的一致性。

4. 版本冲突解决

Spring Boot通过提供兼容性版本的依赖，解决版本冲突问题。

5. 第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式，如XML配置、注解配置等。

6. Actuator

Actuator是Spring Boot提供的监控和管理工具，用于收集应用运行时数据。

健康检查端点：提供健康检查接口，监控应用状态。
度量指标收集：收集应用运行时数据，如CPU、内存等。
自定义Endpoint：自定义监控接口，满足特定需求。

7. 配置文件管理

Spring Boot支持多种配置文件格式，如application.yml、application.properties等。

多环境配置（application-{profile}.yml）：根据不同环境，加载不同的配置文件。
配置加载优先级：优先加载当前环境配置文件，然后加载通用配置文件。
动态配置刷新：实时刷新配置文件，实现配置动态更新。

8. 监控与日志

Micrometer集成：支持多种监控工具，如Prometheus、Grafana等。
Logback/SLF4J配置：配置日志记录器、日志级别、日志格式等。

9. 分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin、Jaeger等。

10. 扩展机制

自定义AutoConfigurationBean：自定义自动配置组件，满足特定需求。
生命周期扩展点：在Spring生命周期中，添加自定义操作。

11. 响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，如Spring WebFlux、Reactor等。

总结

本文从JVM和Spring Boot两个角度，详细讲解了Java开发过程中所需的专业知识。通过了解JVM知识体系，开发者可以更好地理解Java程序运行原理，优化程序性能；而Spring Boot则让Java开发变得更加简单、高效。在实际开发中，将JVM和Spring Boot知识体系相结合，可以更好地应对各种挑战。

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