JVM与Spring Boot核心解析-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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一、JVM知识体系

类加载机制

类加载机制在JVM中扮演着至关重要的角色，它确保了在运行时，类文件能够被正确地加载和解析。在实现层面，类加载器负责将类的字节码文件（.class文件）读取到JVM中，并转换成内存中的Class对象。
- 类加载器：Bootstrap ClassLoader负责加载JVM自身运行时所需的核心类库，如rt.jar中的类；Extension ClassLoader负责加载扩展库；Application ClassLoader负责加载应用程序中的类库。自定义类加载器可以继承ClassLoader类，重写findClass方法，从而实现特定的类加载逻辑。
- 双亲委派模型：在类加载过程中，JVM遵循双亲委派模型，即先委托给父类加载器进行加载，只有当父类加载器无法加载时，才由子类加载器尝试加载。这种模型的目的是保证类型安全，避免类加载器之间的冲突。
- 自定义类加载器：在模块化系统中，自定义类加载器可以用于加载特定模块的类文件。例如，OSGi框架就是通过自定义类加载器来实现模块化。
类加载过程

类加载过程分为加载、连接和初始化三个阶段。
- 加载：加载阶段负责将类的字节码文件从文件系统或网络中读取到JVM中，并生成一个Class对象。这一阶段包括加载类的二进制数据、解析类的符号引用等。
- 连接：连接阶段负责验证Class对象的有效性，包括验证类的字节码结构、符号引用的解析等。连接阶段还包括准备阶段，为类变量分配内存并设置默认值；解析阶段，将符号引用转换为直接引用。
- 初始化：初始化阶段负责执行类的初始化代码，包括静态初始化块和静态代码块。初始化代码的执行顺序与类定义中的代码顺序一致。
模块化系统（JPMS）

JPMS是Java 9引入的一个模块化系统，它将Java程序分解成多个模块，提高了程序的维护性和可移植性。
- 模块定义：每个模块都有自己的模块描述文件（module-info.java），用于声明模块的依赖关系、导出和开放包等信息。
- 模块加载：JVM通过解析模块描述文件，将模块加载到内存中，并建立模块之间的依赖关系。
- 模块访问控制：模块之间的访问控制通过模块描述文件中的open、export和use关键字进行配置。
内存模型

JVM的内存模型包括运行时数据区、堆、栈、方法区和PC寄存器等区域。
- 堆：堆是存储所有实例对象和数组的内存区域，由JVM自动管理。堆内存的大小可以通过JVM参数进行配置。
- 栈：栈是存储局部变量和方法的参数的内存区域，每个线程都有自己的栈。栈内存的大小也由JVM参数进行配置。
- 方法区：方法区存储运行时常量池、字段和方法信息等。方法区的大小同样可以通过JVM参数进行配置。
- PC寄存器：PC寄存器用于指向当前执行的指令。每个线程都有自己的PC寄存器。
内存溢出场景分析

内存溢出是指JVM内存资源耗尽，导致程序无法正常运行。常见的内存溢出场景包括：
- 堆内存溢出：创建的对象过多，导致堆内存不足。可以通过监控堆内存使用情况、优化对象创建方式等方式解决。
- 栈内存溢出：方法调用太深，导致栈内存不足。可以通过优化代码结构、调整栈内存大小等方式解决。
直接内存管理

直接内存管理允许程序直接分配堆外内存，从而提高性能。
- 内存分配：程序通过ByteBuffer的allocateDirect方法分配直接内存，分配的内存空间不受JVM堆内存大小的限制。
- 内存访问：程序通过ByteBuffer的get和put方法访问直接内存。
垃圾回收

垃圾回收是JVM自动回收不再使用的内存的过程。
- GC Roots可达性分析：通过GC Roots（如栈帧中的变量引用、方法区中的静态变量等）来确定哪些对象是可达的，从而回收不可达的对象。
- 分代收集理论：将内存分为Young区、Old区等，针对不同区域采用不同的回收策略。
- 引用类型：包括强引用、软引用、弱引用和虚引用，它们在垃圾回收过程中有不同的作用。
- 垃圾回收算法：包括标记-清除、复制、整理等算法。
- 并发收集器：如CMS、G1、ZGC等，它们在垃圾回收过程中尽量减少对程序执行的影响。
- 停顿时间控制策略：如G1的停顿预测和自适应大小调整等。
性能调优
- JVM参数配置：通过配置Xms、Xmx等参数来调整JVM的内存分配。
- 内存泄漏诊断：使用工具如VisualVM、MAT等来诊断内存泄漏。
- JIT编译优化：JIT编译器会将字节码编译成本地代码，从而提高程序的执行效率。

二、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：Spring Boot通过分析类路径下添加的依赖，自动配置相应的Bean。它首先会扫描所有自动配置类，然后根据条件判断是否启用相应的自动配置。
- 条件化配置：通过@Conditional注解来控制配置的生效条件。例如，@ConditionalOnClass注解可以指定只有当某个类存在时才启用自动配置。
- 自定义Starter开发：通过创建一个Maven项目，并添加相应的依赖和自动配置代码，来创建自定义Starter。
起步依赖

起步依赖是Spring Boot提供的一组预定义的依赖，它们包含了构建Spring应用所需的基本库。
- 依赖关系：起步依赖中的库之间存在一定的依赖关系，Spring Boot通过Maven或Gradle的依赖管理机制来管理这些依赖关系。
- 依赖传递：起步依赖中的库可以传递给其他依赖，从而简化项目的依赖管理。
依赖管理机制

Spring Boot使用Maven或Gradle来管理依赖，其中BOM（Bill of Materials）文件用于定义项目依赖的版本。
- Maven：Maven使用pom.xml文件来定义项目的依赖关系，并通过Maven仓库来管理依赖。
- Gradle：Gradle使用build.gradle文件来定义项目的依赖关系，并通过Gradle仓库来管理依赖。
版本冲突解决

通过使用BOM文件和依赖管理规则，Spring Boot可以帮助解决版本冲突。
- BOM文件：BOM文件定义了项目依赖的版本信息，可以确保项目中所有依赖的版本一致。
- 依赖管理规则：Spring Boot使用依赖管理规则来确保依赖之间的兼容性。
第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库的集成模式，如Starter POM、依赖注入等。
- Starter POM：Starter POM是一个包含第三方库依赖的Maven POM文件，可以简化项目的依赖管理。
- 依赖注入：Spring Boot使用依赖注入技术来管理第三方库的实例。
Actuator

Spring Boot Actuator提供了一系列端点，用于监控和管理Spring Boot应用。
- 健康检查端点：用于检查应用的健康状态。可以通过HTTP请求访问健康检查端点，获取应用的健康信息。
- 度量指标收集：用于收集应用的性能指标。可以通过HTTP请求访问度量指标端点，获取应用的性能数据。
- 自定义Endpoint开发：用户可以自定义Endpoint来扩展Actuator的功能。
配置文件管理

Spring Boot使用配置文件来管理应用配置，支持多环境配置（如application-{profile}.yml）。
- 配置文件格式：Spring Boot支持多种配置文件格式，如properties、yml等。
- 配置文件位置：Spring Boot会按照特定的顺序加载配置文件，如application.properties、application.yml、application-{profile}.properties、application-{profile}.yml等。
配置加载优先级

Spring Boot根据配置文件的位置和名称来决定配置的加载优先级。
- 配置文件位置：Spring Boot会按照配置文件的位置来决定加载顺序，如classpath、file系统等。
- 配置文件名称：Spring Boot会按照配置文件的名称来决定加载顺序，如application.properties、application.yml等。
动态配置刷新

Spring Boot支持动态刷新配置文件，从而实现配置的实时更新。
- 配置文件监听：Spring Boot会监听配置文件的变化，当配置文件发生变化时，会重新加载配置。
- 配置更新通知：Spring Boot可以通知监听器配置已更新，监听器可以执行相应的操作。
监控与日志
- Micrometer集成：用于集成各种监控工具，如Prometheus、InfluxDB等。
- Logback/SLF4J配置：用于配置日志记录器。
分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin、Jaeger等。
- 链路追踪数据采集：Spring Boot可以通过集成Zipkin、Jaeger等链路追踪工具，采集链路追踪数据。
- 链路追踪数据存储：链路追踪数据可以存储在Zipkin、Jaeger等链路追踪工具中。
扩展机制
- 自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点：用户可以自定义Bean的生命周期扩展点，如Bean的初始化和销毁。
- 响应式编程支持：Spring Boot支持响应式编程，如WebFlux。

通过以上对JVM和Spring Boot知识体系的解析，我们可以看到这两个技术在Java应用开发中的重要性。JVM提供了Java程序的运行环境，而Spring Boot则简化了Spring应用的配置和开发过程。在实际应用中，我们需要根据具体需求来选择合适的JVM参数和Spring Boot配置，以达到最佳的性能和可维护性。

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