JVM与Spring Boot核心知识-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

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。它负责在运行时将Java类字节码加载到JVM中，并确保每个类只有一个Class对象实例。

类加载过程

类加载过程分为三个主要阶段：加载、连接和初始化。

加载：这一阶段涉及查找和加载类的.class文件到JVM中。具体实现包括：
- 使用类加载器的findClass方法查找类文件，通常通过文件系统或网络。
- 使用defineClass方法将类文件数据转换成Class对象。
- 为类的每个实例分配内存，并设置类的类对象。
连接：连接阶段包括验证类信息、准备类变量和设置访问权限。
- 验证：确保类文件符合Java虚拟机规范，包括字节码验证、符号引用验证等。
- 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，例如将类、接口、字段和方法的符号引用解析为直接引用。
初始化：初始化阶段是执行类的初始化代码，如静态初始化器和静态代码块。

双亲委派模型

双亲委派模型是JVM中类加载器的工作模式，它要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都委托其父类加载器进行加载。这种模型确保了类型安全，并避免了类的重复加载。

启动类加载器：负责加载<JAVA_HOME>/lib目录中的类库，如rt.jar。
扩展类加载器：负责加载<JAVA_HOME>/lib/ext目录中的类库。
应用程序类加载器：负责加载用户类路径（classpath）中的类库。

自定义类加载器

开发者可以通过继承ClassLoader类或实现java.lang.ClassLoader接口来创建自定义类加载器，以满足特定的类加载需求。例如，可以创建一个网络类加载器，从网络上加载类文件。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一种模块化系统，它允许开发者将应用程序分解成多个模块，以提高性能和安全性。

模块：模块是具有明确边界的代码集合，它定义了其依赖关系和接口。
模块描述符：模块描述符文件（module-info.java）定义了模块的名称、依赖关系和提供的接口。
模块路径：模块路径指定了模块的查找位置。

内存模型

JVM的内存模型包括以下几个部分：

运行时数据区：包括堆、栈、方法区和PC寄存器。
- 堆：存储所有类的实例和数组的对象。垃圾回收主要在这一区域进行。
  - 新生代：用于存放新创建的对象，垃圾回收频率较高。
  - 老年代：存放存活时间较长的对象，垃圾回收频率较低。
- 栈：存储局部变量和方法调用栈。每个线程都有自己的栈。
- 方法区：存储已被加载的类信息、常量、静态变量等数据。方法区是所有线程共享的。
- PC寄存器：用于存储指向下一条指令的指针。每个线程都有自己的PC寄存器。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在以下场景：

堆内存不足：当尝试创建新的对象，但堆内存不足时，会发生OutOfMemoryError。
栈内存不足：当线程栈溢出时，会发生StackOverflowError。
方法区内存不足：当尝试加载新的类，但方法区内存不足时，会发生OutOfMemoryError。

直接内存管理

直接内存（Direct Memory）是JVM在堆外分配的内存空间，用于提高大对象的处理速度。直接内存不受垃圾回收器的管理。

垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动回收不再使用的对象占用的内存空间。垃圾回收的主要目标是减少内存溢出和减少停顿时间。

GC Roots可达性分析

GC Roots是指那些不会被垃圾回收器回收的对象，它们是垃圾回收的起点。常见的GC Roots包括：

栈帧中的本地变量表：存储了对象的引用。
方法区中的常量：包含了对对象的引用。
本地方法栈：存储了JNI本地方法中的引用。

分代收集理论

JVM将对象分为新生代（Young）和老年代（Old），以便更高效地进行垃圾回收。

新生代：用于存放新创建的对象，垃圾回收频率较高。
老年代：存放存活时间较长的对象，垃圾回收频率较低。

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：最常用的引用类型，当对象存在强引用时，垃圾回收器不会回收该对象。
软引用：用于缓存，当内存不足时，垃圾回收器会回收软引用指向的对象。
弱引用：用于缓存，当垃圾回收器进行垃圾回收时，弱引用指向的对象会被回收。
虚引用：用于跟踪对象，当对象被回收时，虚引用的get()方法返回null。

垃圾回收算法

常见的垃圾回收算法有标记-清除、复制和整理算法。

标记-清除：首先标记所有可达对象，然后清除未被标记的对象。
复制：将对象复制到另一个区域，然后清除原区域的对象。
整理：将对象移动到一起，然后清除未被移动的对象。

并发收集器

并发收集器如CMS（Concurrent Mark Sweep）和G1（Garbage-First）可以在应用程序运行时进行垃圾回收，以减少停顿时间。

CMS：适用于对停顿时间要求较高的场景，如Web服务器。
G1：适用于对停顿时间和吞吐量都有要求的场景。

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的动态停顿时间目标。

动态停顿时间目标：根据应用程序的运行情况动态调整停顿时间。

性能调优

通过调整JVM参数（如Xms、Xmx等）和监控内存泄漏，可以优化JVM的性能。

JVM参数：通过设置JVM参数，可以调整内存大小、垃圾回收策略等。
内存泄漏监控：使用工具监控内存泄漏，并及时修复。

JIT编译优化

JIT编译器可以将Java字节码编译成本地机器代码，以提高程序执行效率。

即时编译：JIT编译器在运行时将Java字节码编译成本地机器代码。
优化：JIT编译器对编译后的代码进行优化，以提高程序执行效率。

Spring Boot知识体系

自动配置

Spring Boot通过自动配置机制简化了Spring应用的配置过程。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解是自动配置的核心，它通过条件化配置来启用自动配置。

条件化配置：Spring Boot使用条件化配置来启用或禁用自动配置。例如，如果项目中存在某个类，则启用相应的自动配置。

条件化配置（@Conditional）

条件化配置允许基于特定的条件来启用或禁用自动配置。

条件注解：Spring Boot提供了多种条件注解，如@ConditionalOnClass、@ConditionalOnMissingBean等。

自定义Starter开发

自定义Starter可以帮助开发者将库和自动配置整合在一起，方便其他开发者使用。

Starter：Starter是一个包含一组依赖的库，它简化了项目的构建过程。

起步依赖

起步依赖（Starters）是Spring Boot提供的一组预定义的依赖，它们包含了创建特定类型应用所需的所有依赖。

起步依赖：Spring Boot提供了多种起步依赖，如Web Starter、Data JPA Starter等。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM（Bill of Materials）文件用于管理项目中的依赖版本，确保依赖的一致性。

BOM文件：BOM文件定义了项目中的依赖及其版本。

版本冲突解决

通过使用BOM文件和依赖锁定策略，可以解决版本冲突问题。

依赖锁定：使用依赖锁定策略，可以确保项目中的依赖版本一致。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库的集成模式，如声明式集成和编程式集成。

声明式集成：使用注解和配置文件来集成第三方库。
编程式集成：使用代码来集成第三方库。

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。

健康检查端点

健康检查端点允许你检查应用程序的健康状况。

健康检查：健康检查端点可以检查应用程序的关键组件是否正常工作。

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、线程数等。

度量指标：度量指标可以用于监控应用程序的性能。

自定义Endpoint开发

开发者可以自定义Endpoint来扩展Actuator的功能。

自定义Endpoint：自定义Endpoint可以收集和提供应用程序的特定信息。

配置文件管理

Spring Boot使用配置文件来管理应用程序的配置。

多环境配置（application-{profile}.yml）

Spring Boot支持多环境配置，允许你为不同的环境（如开发、测试、生产）配置不同的参数。

多环境配置：多环境配置可以让你为不同的环境设置不同的配置参数。

配置加载优先级

Spring Boot按照一定的优先级加载配置文件，确保配置的正确性。

配置加载优先级：Spring Boot按照以下顺序加载配置文件：
- application.yml
- application-{profile}.yml
- bootstrap.yml

动态配置刷新

Spring Boot支持动态刷新配置，允许在运行时更新配置而无需重启应用程序。

动态配置刷新：动态配置刷新可以让你在运行时更新配置，而无需重启应用程序。

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是一个度量指标库，Spring Boot可以与Micrometer集成来收集和监控度量指标。

度量指标：度量指标可以用于监控应用程序的性能。

Logback/SLF4J配置

Spring Boot默认使用Logback作为日志框架，同时也支持SLF4J。

日志框架：日志框架可以用于记录应用程序的日志信息。

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：分布式链路追踪可以让你跟踪分布式应用程序中的请求。

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AutoConfigurationBean：自定义AutoConfigurationBean可以让你扩展Spring Boot的自动配置功能。
生命周期扩展点：生命周期扩展点可以让你在Spring Boot应用程序的生命周期中添加自定义逻辑。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，允许你使用Reactor和Project Reactor等库来编写响应式应用程序。

响应式编程：响应式编程可以让你编写异步、非阻塞的应用程序。

通过以上知识点的串联，我们可以看到JVM和Spring Boot是如何相互关联和影响的。JVM为Spring Boot提供了运行时环境，而Spring Boot则利用JVM的特性来简化应用程序的开发和部署。这种结合使得Java开发者能够高效地构建和维护大型、高性能的应用程序。

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