JVM与Spring Boot核心知识

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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。

Java程序员廖志伟

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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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