JVM与Spring Boot精讲

📕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。

Java程序员廖志伟

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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
    • :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。
    • :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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