JVM与Spring Boot精讲

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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

JVM（Java虚拟机）是Java语言运行时环境的核心，它负责将Java代码编译成字节码，并在运行时解释或即时编译这些字节码。以下是JVM知识体系中的关键知识点：

类加载机制

类加载机制是JVM的重要组成部分，负责将Java类文件加载到JVM中。这个过程分为三个阶段：加载、连接和初始化。

类加载过程

1. 加载：查找并加载指定名称的类或接口的.class文件。在加载过程中，JVM会执行以下操作：

   • 加载类文件数据，包括类的二进制数据、常量池、静态变量等信息。
   • 创建一个代表类的java.lang.Class对象。

2. 连接：验证类文件信息，准备类在JVM中的运行环境。连接过程包括：

   • 验证：确保类文件的字节码是有效的，并且遵循JVM规范。
   • 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。

3. 初始化：执行类构造器 ()方法，为静态变量赋值。初始化过程发生在类加载之后，但类使用之前。

双亲委派模型

双亲委派模型是JVM中类加载器的一种层次结构，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，它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这个请求时，才自己去加载。这种模型的优点是：

• 避免类的重复加载。
• 确保Java核心API的稳定。

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，这在模块化系统和插件式开发中非常有用。例如，可以通过自定义类加载器实现以下功能：

• 加载特定于应用程序的类。
• 加载外部库或框架的类。
• 加载特定格式的类文件。

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应用程序组织成模块，以提供更好的隔离性和灵活性。模块化的主要优势包括：

• 隔离：模块之间相互独立，降低了依赖性。
• 依赖管理：模块可以声明其依赖项，JVM可以自动解析和加载。
• 可扩展性：模块可以按需添加或删除，提高了系统的可维护性。

内存模型

JVM的内存模型包括以下部分：

1. 运行时数据区：
   • 堆：所有线程共享的内存区域，用于存放几乎所有的对象实例和数组的实例。堆内存的分配和回收由垃圾回收器管理。
   • 栈：每个线程都有自己的栈，用于存储局部变量和方法调用。栈内存的分配和回收由线程本身管理。
   • 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。方法区是持久内存，不受垃圾回收器管理。
   • PC寄存器：每条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寄存器是线程专有的，不受垃圾回收器管理。

内存溢出场景分析

• 堆溢出：当创建的对象太多，超过堆的容量时，会导致Java虚拟机抛出OutOfMemoryError异常。解决方法包括：

  • 增加堆内存大小。
  • 优化代码，减少对象创建。
  • 使用对象池等技术。

• 栈溢出：当方法调用太深，超过栈的深度时，会导致Java虚拟机抛出StackOverflowError异常。解决方法包括：

  • 优化代码，减少递归调用。
  • 增加栈内存大小。

• 方法区溢出：当类定义过多，超过方法区的容量时，会导致Java虚拟机抛出OutOfMemoryError异常。解决方法包括：

  • 使用大对象内存（Metaspace）。
  • 优化代码，减少类定义。

垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动管理内存的重要机制。垃圾回收器通过回收不再使用的对象来释放内存。以下是垃圾回收的主要原理和算法：

GC Roots可达性分析

GC Roots是垃圾回收的起点，任何不可达的对象都将被回收。GC Roots通常包括：

• 栈中的引用变量。
• 方法区中的静态变量。
• 方法区中的常量池。

分代收集理论

JVM将内存分为不同的代，如新生代（Young）、老年代（Old），以优化垃圾回收效率。不同代的对象具有不同的生命周期和回收策略。

• 新生代：用于存放新创建的对象。新生代采用复制算法进行垃圾回收，效率较高。
• 老年代：用于存放长时间存活的对象。老年代采用标记-清除或标记-整理算法进行垃圾回收。

引用类型

• 强引用：最常见的引用类型，垃圾回收器无法回收被强引用关联的对象。
• 软引用：可以回收，但只有在内存不足时才会被回收。
• 弱引用：可以回收，垃圾回收器会尝试回收，但不是必须的。
• 虚引用：没有任何实际引用，垃圾回收器回收时，将返回null。

垃圾回收算法

• 标记-清除：分为标记和清除两个阶段。首先标记所有可达对象，然后清除未被标记的对象。
• 复制：将内存分为两块，每次只使用其中一块，当这块用完时，将存活的对象复制到另一块，然后清空原来的块。
• 整理：在复制算法的基础上，对内存进行整理，以提高内存利用率。

并发收集器

• CMS（Concurrent Mark Sweep）：一种以减少停顿时间为目标的收集器。CMS在垃圾回收过程中，会尽量减少对用户线程的干扰。
• G1（Garbage-First）：一种面向服务端应用的收集器，旨在提供可控的停顿时间。G1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。ZGC通过减少内存扫描和垃圾回收过程中的锁竞争，实现低延迟的垃圾回收。

停顿时间控制策略

JVM提供了多种策略来控制垃圾回收的停顿时间，如G1的停顿时间目标（STW）。

性能调优

• JVM参数配置：通过设置Xms、Xmx等参数来调整堆内存大小。
• 内存泄漏诊断：使用工具如VisualVM或JProfiler来诊断内存泄漏。

JIT编译优化

JIT编译器可以将字节码即时编译成本地机器码，以提高程序运行效率。JIT编译器通过以下步骤进行优化：

• 分析：分析字节码，识别热点代码。
• 优化：对热点代码进行优化，提高代码执行效率。
• 编译：将优化后的代码编译成本地机器码。

二、Spring Boot知识体系

Spring Boot是一个开源的框架，它简化了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，它可以根据添加的jar依赖自动配置Spring应用程序。自动配置的实现原理如下：

1. 自动配置类：Spring Boot提供了一个名为spring.factories的文件，其中包含了所有自动配置类的信息。
2. 条件化配置：自动配置类会根据添加的jar依赖和配置信息进行条件化配置，只有满足条件的自动配置类才会生效。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解通过类路径下是否有某个类存在来决定是否启用自动配置。当@EnableAutoConfiguration注解被添加到应用程序的入口类中时，Spring Boot会扫描类路径下的jar依赖，并根据spring.factories文件中的信息自动配置相应的组件。

条件化配置（@Conditional）

Spring Boot使用条件化配置来根据不同的条件启用或禁用某些配置。条件化配置的原理如下：

1. 条件注解：Spring Boot提供了多种条件注解，如@ConditionalOnClass、@ConditionalOnMissingBean等。
2. 条件匹配：当自动配置类或Bean定义时，Spring Boot会根据条件注解进行条件匹配，只有满足条件的配置才会生效。

自定义Starter开发

自定义Starter可以帮助开发者将库或组件打包成可重用的模块。自定义Starter的开发步骤如下：

1. 创建一个Maven项目，并添加Starter的依赖。
2. 创建一个自动配置类，并使用@ConditionalOnClass注解指定依赖。
3. 创建一个Starter POM文件，将自动配置类和依赖打包成jar包。

起步依赖

起步依赖（Starters）是Spring Boot提供的依赖管理机制，它们将一组相关的库打包在一起。起步依赖的使用方法如下：

1. 在pom.xml文件中添加起步依赖的依赖项。
2. Spring Boot会自动解析依赖项，并添加相应的库到类路径中。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM（Bill of Materials）文件用于定义项目依赖的版本，以确保所有依赖的版本一致性。BOM文件可以确保项目中的所有依赖都使用相同的版本，避免了版本冲突。

版本冲突解决

Spring Boot通过提供统一的版本管理来减少版本冲突。当项目添加新的依赖项时，Spring Boot会自动解析依赖项之间的版本冲突，并选择合适的版本。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库的集成，如数据库连接池、缓存等。集成第三方库的步骤如下：

1. 在pom.xml文件中添加第三方库的依赖项。
2. 在Spring Boot应用程序中配置第三方库。

Actuator

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

健康检查端点

健康检查端点允许开发者检查应用程序的健康状态。健康检查端点可以返回应用程序的健康状态、运行时信息等。

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。收集到的度量指标可以用于监控和分析应用程序的性能。

自定义Endpoint开发

开发者可以自定义端点来扩展Actuator的功能。自定义端点的开发步骤如下：

1. 创建一个Endpoint类，并实现Endpoint接口。
2. 在Spring Boot应用程序中配置自定义端点。

配置文件管理

Spring Boot使用配置文件来管理应用程序的配置。配置文件可以是.properties文件、.yml文件或.xml文件。Spring Boot支持以下配置文件格式：

多环境配置（application-{profile}.yml）

Spring Boot支持多环境配置，允许开发者根据不同的环境（如开发、测试、生产）使用不同的配置文件。多环境配置的原理如下：

1. 在配置文件中添加特定环境的配置信息。
2. 在启动Spring Boot应用程序时，指定环境参数。

配置加载优先级

Spring Boot会按照一定的优先级加载配置文件。优先级顺序如下：

• 命令行参数
• JVM系统属性
• 命令行属性
• 配置文件

动态配置刷新

Spring Boot支持动态刷新配置，以便在运行时更新配置。动态配置刷新的原理如下：

1. 监听配置文件的变化。
2. 当配置文件发生变化时，重新加载配置。

监控与日志

Spring Boot集成了多种监控和日志框架，如Micrometer和Logback/SLF4J。

Micrometer集成

Micrometer是一个度量指标收集库，它支持多种度量指标的后端。Micrometer可以用于收集应用程序的性能数据，如内存使用情况、线程信息等。

Logback/SLF4J配置

Spring Boot默认使用Logback作为日志框架，它提供了丰富的配置选项。Logback的配置文件可以是.xml文件或.json文件。

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追踪分布式系统中的请求路径，分析系统性能问题。

扩展机制

Spring Boot提供了多种扩展机制，如自定义AutoConfigurationBean和生命周期扩展点。自定义扩展机制的原理如下：

1. 创建一个自定义Bean，并实现相应的接口。
2. 在Spring Boot应用程序中配置自定义Bean。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，通过Spring WebFlux框架实现。响应式编程可以帮助开发者构建高并发、高并发的应用程序。

通过以上对JVM和Spring Boot知识体系的详细描述，我们可以看到这两个技术是如何相互关联和影响的。JVM为Java应用程序提供了运行时环境，而Spring Boot则是在这个环境中构建应用程序的框架。理解JVM的内存模型和垃圾回收机制对于优化Spring Boot应用程序的性能至关重要。同时，Spring Boot的自动配置和模块化特性使得开发人员可以更高效地构建和维护Java应用程序。

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