JVM & Spring Boot深度解析

📕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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一、JVM知识体系

类加载机制

JVM的类加载机制是Java程序运行的基础，它涉及了类文件的加载、验证、准备、解析、初始化等过程。类加载器在这个过程中扮演着至关重要的角色，主要负责将编译后的.class文件加载到JVM中，并创建对应的Java类对象。

类加载过程（加载→连接→初始化）

1. 加载：类加载器负责查找和导入指定的.class文件。在加载过程中，JVM会使用类加载器读取.class文件，并将其转换成方法区的二进制数据。
2. 验证：验证过程确保加载的.class文件符合JVM规范，包括字节码结构、符号引用等。验证过程包括文件格式验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证。
3. 准备：为类变量分配内存并设置默认初始值。类变量包括静态变量和常量，这些变量存储在方法区中。
4. 解析：将符号引用转换为直接引用，包括将类、接口、字段和方法的符号引用转换为直接引用。
5. 初始化：执行类构造器<clinit>()方法，初始化类变量和静态变量。这个过程包括初始化静态变量、执行静态代码块和调用父类的<clinit>()方法。

双亲委派模型

双亲委派模型是JVM类加载机制的一个核心特点。在加载类时，JVM首先委托给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，才由当前类加载器尝试加载。这种模型确保了类的一致性和安全性。

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，这对于实现模块化系统和扩展JVM的功能非常重要。自定义类加载器可以通过继承ClassLoader类或实现ClassLoader接口来创建。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一种模块化系统，它提供了一种新的类加载机制，可以减少运行时内存消耗，提高性能。JPMS通过模块定义文件（module-info.java）来定义模块的依赖关系，并提供了模块的加载、解析和加载等过程。

内存模型

JVM的内存模型由以下几个部分组成：

• 堆：用于存放几乎所有的Java对象实例，以及数组的存储。堆是动态分配的内存区域，其大小可以通过JVM参数进行调整。
• 栈：用于存放方法的局部变量表、操作数栈、方法出口等信息。栈是线程私有的内存区域，每个线程都有自己的栈空间。
• 方法区：用于存放已经被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据。方法区是全局共享的内存区域。
• PC寄存器：用于指示当前线程所执行的指令地址。PC寄存器是线程私有的寄存器。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在堆空间不足时，导致Java程序无法创建新的对象。常见场景包括：内存泄漏、过度占用内存等。内存泄漏是指程序中不再使用的对象无法被垃圾回收器回收，导致内存占用不断增加。过度占用内存是指程序中创建的对象数量过多，导致内存消耗过大。

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。垃圾回收器通过遍历GC Roots，找到所有可达对象，并将不可达对象进行回收。

GC Roots可达性分析

GC Roots是一种确定对象是否存活的方法。如果一个对象是从GC Roots开始，那么这个对象是存活的。常见的GC Roots包括：栈帧中的局部变量表、方法区中的静态变量、常量池、线程的栈帧中的引用变量等。

分代收集理论（Young/Old区）

分代收集理论将Java堆划分为年轻代（Young）和老年代（Old），以便更高效地进行垃圾回收。年轻代用于存放新创建的对象，老年代用于存放长期存活的对象。

引用类型（强/软/弱/虚）

引用类型决定了对象何时可以被垃圾回收器回收。强引用是最常见的引用类型，它表示对象是活跃的，垃圾回收器不会回收强引用的对象。软引用、弱引用和虚引用分别表示对象在内存不足时可能被回收、在垃圾回收器运行时可能被回收和在任何时候都可能被回收。

垃圾回收算法

常见的垃圾回收算法包括：

• 标记-清除：标记所有存活的对象，然后清除未被标记的对象。
• 复制：将存活的对象复制到一半的内存空间，然后释放另一半。
• 整理：移动存活的对象，并压缩内存空间。

并发收集器（CMS/G1/ZGC）

并发收集器可以在程序运行期间进行垃圾回收，从而减少对应用程序性能的影响。常见的并发收集器包括CMS（Concurrent Mark Sweep）、G1（Garbage-First）和ZGC（Z Garbage Collector）。

停顿时间控制策略

停顿时间控制策略旨在减少垃圾回收过程中的停顿时间。常见的停顿时间控制策略包括：自适应调整策略、预测性停顿时间控制策略和动态调整策略。

性能调优

性能调优是优化JVM性能的关键。它包括JVM参数配置、内存泄漏诊断、JIT编译优化等方面。JVM参数配置可以通过调整堆大小、栈大小、垃圾回收策略等参数来优化性能。内存泄漏诊断可以使用工具如MAT（Memory Analyzer Tool）来分析内存泄漏。JIT编译优化可以通过调整JIT编译器参数来优化性能。

二、Spring Boot知识体系

自动配置

Spring Boot的自动配置功能可以自动配置Spring应用程序的依赖项和组件。自动配置是基于条件化的，它会根据类路径下自动配置的jar包和配置文件来启用或禁用特定的配置。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解通过类路径下自动配置的jar包，自动配置Spring应用程序。当Spring Boot启动时，它会扫描类路径下的jar包，查找所有带有@SpringBootApplication注解的类，并根据类路径下的jar包和配置文件自动配置应用程序。

条件化配置（@Conditional）

条件化配置允许开发者根据特定的条件来启用或禁用配置。条件化配置可以使用@Conditional注解及其子注解来实现。

自定义Starter开发

自定义Starter可以方便地集成第三方库到Spring Boot项目中。自定义Starter通常包含一个Maven项目，其中包含自动配置类和依赖管理。

起步依赖

起步依赖是Spring Boot项目的最小依赖集，用于快速开始开发。起步依赖通常包含自动配置类、依赖管理和项目构建配置。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM文件用于定义项目的依赖关系，避免版本冲突。BOM文件包含所有依赖项的版本信息，确保项目中的依赖项版本一致。

版本冲突解决

版本冲突可以通过选择合适的依赖版本或使用依赖管理工具来解决。常见的依赖管理工具包括Maven和Gradle。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式，包括依赖注入、RESTful API等。依赖注入是通过Spring框架实现的，它允许开发者将对象之间的依赖关系通过配置文件或注解来管理。RESTful API是通过Spring MVC实现的，它允许开发者创建RESTful风格的Web服务。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了一系列端点，用于监控和管理应用程序。这些端点包括健康检查端点、度量指标收集端点等。

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况。健康检查端点通常通过@HealthIndicator注解实现。

度量指标收集

度量指标收集可以帮助开发者了解应用程序的性能。度量指标可以通过Micrometer集成到Spring Boot应用程序中。

自定义Endpoint开发

自定义Endpoint允许开发者扩展Spring Boot Actuator的功能。自定义Endpoint通常通过实现Endpoint接口来实现。

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。配置文件可以是YAML、Properties或XML格式。

多环境配置（application-{profile}.yml）

多环境配置允许开发者为不同的环境（如开发、测试、生产）定义不同的配置。多环境配置通常通过配置文件名来区分不同的环境。

配置加载优先级

配置加载优先级决定了配置信息的优先级。Spring Boot会按照以下顺序加载配置信息：命令行参数、系统环境变量、配置文件、JVM系统属性。

动态配置刷新

动态配置刷新允许开发者在不重启应用程序的情况下更新配置信息。动态配置刷新可以通过Spring Cloud Config实现。

监控与日志

Spring Boot提供了一系列监控和日志功能，以便开发者了解应用程序的运行状态。监控功能包括健康检查、度量指标收集等。日志功能包括Logback和SLF4J。

Micrometer集成

Micrometer是Spring Boot用于度量指标集成的工具。Micrometer支持多种度量指标收集器，如Prometheus、Graphite等。

Logback/SLF4J配置

Spring Boot支持多种日志框架，如Logback和SLF4J。Logback是一个日志框架，SLF4J是一个日志门面。

分布式链路追踪扩展机制

分布式链路追踪扩展机制可以帮助开发者了解应用程序的分布式调用过程。分布式链路追踪通常使用Zipkin、Jaeger等工具实现。

自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点

自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点允许开发者扩展Spring Boot的自动配置功能。自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点通常通过实现AutoConfigurationImportSelector接口来实现。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，方便开发者编写异步、非阻塞的应用程序。响应式编程是通过Spring WebFlux实现的，它允许开发者使用Reactor、Project Reactor等库来编写响应式应用程序。

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