JVM与Spring Boot详解-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/CodeJavaPro/article/details/149386720

📕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。

🌾阅读前，快速浏览目录和章节概览可帮助了解文章结构、内容和作者的重点。了解自己希望从中获得什么样的知识或经验是非常重要的。建议在阅读时做笔记、思考问题、自我提问，以加深理解和吸收知识。阅读结束后，反思和总结所学内容，并尝试应用到现实中，有助于深化理解和应用知识。与朋友或同事分享所读内容，讨论细节并获得反馈，也有助于加深对知识的理解和吸收。💡在这个美好的时刻，笔者不再啰嗦废话，现在毫不拖延地进入文章所要讨论的主题。接下来，我将为大家呈现正文内容。

JVM知识体系详解

类加载机制

在Java虚拟机（JVM）中，类加载器负责从文件系统或网络中加载Java类到内存中。这一过程是Java平台的核心机制之一，它确保了Java程序中的类型安全，并且是动态类型语言的一个重要特征。

类加载过程

类加载过程可以分为三个主要阶段：加载、连接和初始化。

加载：类加载器负责查找和加载类或接口的.class文件。在这个过程中，JVM会使用类加载器来创建一个类的代表对象，该对象包含了类的各种属性，如类名、访问权限等。
连接：这一阶段包括验证、准备和解析。
- 验证：确保类文件的字节码是有效的，并且不会危害JVM的安全。验证过程包括四个步骤：文件格式验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证。
- 准备：为类变量分配内存并设置默认初始值。这里所说的内存是方法区中的一部分，而不是堆内存。
- 解析：将类、接口、字段和方法的符号引用替换为直接引用。直接引用通常是指向方法区的指针、偏移量或方法表的引用。
初始化：初始化阶段是类加载过程的最后一步，它是执行类构造器<clinit>()方法的过程。类构造器是由编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态代码块中的语句合并产生的。

双亲委派模型

双亲委派模型是Java类加载机制的一个关键特性。在双亲委派模型中，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（即在它的搜索范围内没有找到所需的类），子类加载器才会尝试自己去加载这个类。

这种模型的优点在于它可以避免类的重复加载，同时也能保证类型的安全。例如，java.lang.Object类在JVM中只存在一个实例，无论哪个类加载器尝试加载这个类，最终都会使用相同的Object类。

自定义类加载器

开发者可以通过继承ClassLoader类或AbstractClassLoader类来创建自定义类加载器。自定义类加载器允许开发者实现特定的类加载逻辑，例如加载特定的类文件格式或从特定的源加载类。

在实现自定义类加载器时，需要重写以下方法：

findClass(String name)：用于查找并返回指定名称的类。
loadClass(String name)：用于加载指定名称的类。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一种模块化系统，它允许将应用程序分解为多个模块，每个模块都包含一组相关的类和资源。JPMS通过模块化来提高JVM的性能和安全性，同时简化了应用程序的部署和运行。

在JPMS中，每个模块都定义了一个模块描述符，它包含了模块的名称、版本、依赖关系等信息。模块描述符通常位于模块的根目录下的module-info.java文件中。

内存模型

JVM的内存模型包括以下数据区域：

堆：堆是JVM中最大的内存区域，用于存放几乎所有的对象实例。堆内存的分配和回收是由垃圾回收器自动管理的。
栈：栈是线程私有的内存区域，用于存放线程的运行上下文，包括局部变量和方法调用栈。栈内存的分配和回收是自动的，且是线程安全的。
方法区：方法区用于存放已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据。方法区的内存分配和回收是自动的，且是线程安全的。
PC寄存器：PC寄存器是每个线程独有的寄存器，用于存放当前线程所执行的指令的地址。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在以下场景：

堆内存溢出：当创建的对象过多或对象体积过大时，会导致堆内存不足，从而引发OutOfMemoryError。
栈内存溢出：当递归调用深度过深时，会导致栈内存不足，从而引发StackOverflowError。
方法区溢出：当加载的类过多或类信息过大时，会导致方法区内存不足，从而引发OutOfMemoryError。

垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动回收不再使用的对象的过程。垃圾回收的主要目标是避免内存泄漏，并提高JVM的性能。

GC Roots可达性分析：从GC Roots开始，向上遍历，标记可达的对象。GC Roots通常包括以下内容：方法区中的静态变量、常量池中的引用、线程栈中的局部变量、线程栈中的栈帧中的引用等。
分代收集理论：将对象分为新生代（Young）、老年代（Old）和永久代（Perm）。新生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，永久代用于存放类信息、常量、静态变量等。
引用类型：包括强引用、软引用、弱引用和虚引用。强引用是最常见的引用类型，它表示对象对垃圾回收器是可达的。软引用和弱引用表示对象对垃圾回收器是不可达的，但它们可以被垃圾回收器回收。虚引用表示对象对垃圾回收器是不可达的，并且没有任何引用指向它，它只能通过System.gc()强制进行垃圾回收。
垃圾回收算法：
- 标记-清除：标记所有可达对象，然后清除未被标记的对象。
- 复制算法：将对象分为两块，每次只使用一块，当一块使用完毕后，将其复制到另一块。
- 整理算法：标记-清除的优化版，避免内存碎片。

并发收集器

CMS（Concurrent Mark Sweep）：CMS是一种以降低停顿时间为目标的收集器。它通过使用多个线程并行执行垃圾回收来减少停顿时间。
G1（Garbage-First）：G1是一种面向服务端应用的收集器，它将堆内存划分为多个区域，并优先回收垃圾较多的区域。
ZGC（Z Garbage Collector）：ZGC是一种低延迟的垃圾回收器，它通过减少垃圾回收的停顿时间来提高应用程序的性能。

停顿时间控制策略

并行收集：多线程并行执行垃圾回收。
并发收集：与应用程序并发执行垃圾回收。
串行收集：单线程执行垃圾回收。

性能调优

JVM参数配置：通过设置JVM启动参数来调整内存和垃圾回收行为。例如，可以通过设置-Xms和-Xmx来指定堆内存的初始大小和最大大小。
内存泄漏诊断：通过分析内存使用情况来诊断内存泄漏。可以使用JVM提供的工具，如JConsole、VisualVM等。
JIT编译优化：JIT编译器在运行时对字节码进行优化，以提高程序性能。可以通过设置JVM参数来启用JIT编译优化。

Spring Boot知识体系详解

自动配置

Spring Boot通过自动配置来简化应用程序的配置过程。@EnableAutoConfiguration注解是自动配置的核心。当Spring Boot启动时，它会扫描类路径下的所有jar包，查找带有@Configuration注解的类，并将它们作为配置源。

然后，Spring Boot会根据这些配置源生成自动配置类，并通过@EnableAutoConfiguration注解将这些自动配置类应用到应用程序中。自动配置类通常会根据类路径下存在的依赖关系来决定是否启用某些配置。

@EnableAutoConfiguration原理

当Spring Boot启动时，它会扫描以下位置来查找自动配置类：

META-INF/spring.factories文件：该文件包含了所有自动配置类的全限定名。
META-INF/spring.boot.declared-classes文件：该文件包含了所有需要自动配置的类的全限定名。

然后，Spring Boot会根据这些类名来查找对应的自动配置类，并将它们应用到应用程序中。

条件化配置（@Conditional）

条件化配置允许在满足特定条件时才应用某些配置。例如，可以使用@ConditionalOnClass注解来检查特定的类是否存在于类路径中。

在@ConditionalOnClass注解中，可以指定一个或多个类名，如果这些类存在于类路径中，则条件成立，相应的配置才会被应用。

自定义Starter开发

开发者可以通过创建一个包含spring-boot-starter依赖的jar包来开发自定义Starter。自定义Starter可以包含应用程序运行所需的基本库，以及自动配置类。

在开发自定义Starter时，需要将spring-boot-starter依赖添加到项目的pom.xml文件中，并创建一个META-INF/spring.factories文件来指定自动配置类的全限定名。

起步依赖

起步依赖是一组预定义的依赖项，它们包含了一个应用程序运行所需的基本库。起步依赖可以简化应用程序的依赖管理，并减少版本冲突。

Spring Boot提供了多种起步依赖，例如spring-boot-starter-web、spring-boot-starter-data-jpa等。

依赖管理机制

Spring Boot使用Maven或Gradle作为构建工具，并通过BOM（Bill of Materials）文件来管理依赖项。BOM文件定义了应用程序中所有依赖项的版本，从而避免了版本冲突。

在Maven中，BOM文件通常以.pom文件的形式存在，并在项目的根目录下。在Gradle中，BOM文件通常以.gradle文件的形式存在，并在项目的根目录下。

版本冲突解决

通过使用BOM文件，可以确保应用程序中的所有依赖项都使用相同的版本，从而避免版本冲突。如果依赖项之间存在版本冲突，Spring Boot会自动选择合适的版本。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式，包括声明式集成和编程式集成。

声明式集成：通过在Spring Boot应用程序中使用注解和配置文件来集成第三方库。
编程式集成：通过编写代码来集成第三方库。

Actuator

Spring Boot Actuator是一个端点集合，它允许你监控和管理Spring Boot应用程序。Actuator提供了多种端点，例如健康检查端点、度量指标收集端点等。

健康检查端点

健康检查端点可以用来检查应用程序的状态，例如是否运行正常、是否有内存泄漏等。Spring Boot提供了@HealthIndicator注解来定义健康检查逻辑。

在实现健康检查逻辑时，需要实现HealthIndicator接口，并返回一个Health对象。Health对象包含了应用程序的健康状态和详细信息。

度量指标收集

Spring Boot Actuator允许你收集应用程序的度量指标，例如内存使用情况、线程计数等。Spring Boot提供了@Metrics注解来定义度量指标。

在定义度量指标时，需要实现MeterRegistry接口，并使用@Metrics注解来标记度量指标的方法。

自定义Endpoint开发

开发者可以通过实现Endpoint接口来创建自定义端点。自定义端点可以用来提供应用程序的特定信息或执行特定的操作。

在实现自定义端点时，需要实现Endpoint接口，并使用@Endpoint注解来标记端点的方法。

配置文件管理

Spring Boot使用配置文件来管理应用程序的配置，包括application.yml和application.properties。

多环境配置

Spring Boot支持多环境配置，可以通过在配置文件中指定profile来为不同的环境配置不同的属性。

在配置文件中，可以使用spring.profiles.active属性来指定当前激活的配置文件。

配置加载优先级

Spring Boot按照以下顺序加载配置文件：

命令行参数
Java系统属性
application.properties/application.yml
bootstrap.properties/bootstrap.yml
类路径下的配置文件

动态配置刷新

Spring Boot允许动态刷新配置文件，从而在不重启应用程序的情况下更新配置。动态配置刷新可以通过/actuator/refresh端点来实现。

监控与日志

Spring Boot提供了多种监控和日志解决方案，例如Micrometer和Logback/SLF4J。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，例如Zipkin和Jaeger。分布式链路追踪可以帮助开发者了解应用程序的调用链路，并诊断性能问题。

扩展机制

Spring Boot提供了多种扩展机制，例如自定义AutoConfigurationBean和生命周期扩展点。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，例如使用Reactor和Project Reactor库。响应式编程可以帮助开发者编写更简洁、更易于测试的代码。

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框架在Java生态系统中的重要性。JVM作为Java程序运行的基础，提供了强大的性能和灵活性，而Spring Boot则简化了Spring应用程序的开发过程。两者之间的知识可以相互借鉴，帮助我们更好地理解和应用Java技术。

优快云

📥博主的人生感悟和目标

希望各位读者大大多多支持用心写文章的博主，现在时代变了，信息爆炸，酒香也怕巷子深，博主真的需要大家的帮助才能在这片海洋中继续发光发热，所以，赶紧动动你的小手，点波关注❤️，点波赞👍，点波收藏⭐，甚至点波评论✍️，都是对博主最好的支持和鼓励！

- 💂 博客主页： Java程序员廖志伟
- 👉 开源项目： Java程序员廖志伟
- 🌥 哔哩哔哩： Java程序员廖志伟
- 🎏 个人社区： Java程序员廖志伟
- 🔖 个人微信号： SeniorRD

📙经过多年在优快云创作上千篇文章的经验积累，我已经拥有了不错的写作技巧。同时，我还与清华大学出版社签下了四本书籍的合约，并将陆续出版。这些书籍包括了基础篇、进阶篇、架构篇的📌《Java项目实战—深入理解大型互联网企业通用技术》📌，以及📚《解密程序员的思维密码--沟通、演讲、思考的实践》📚。具体出版计划会根据实际情况进行调整，希望各位读者朋友能够多多支持！