JVM与Spring Boot深度解析

最新推荐文章于 2025-08-27 20:04:45 发布
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#Java # JVM # Spring Boot

📕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）、《解密程序员的思维密码——沟通、演讲、思考的实践》作者、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。

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Java程序员廖志伟

💡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。

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一、JVM知识体系

类加载机制

类加载机制是JVM的核心功能之一，它负责将Java源代码编译后的字节码加载到JVM中，并确保每个类只有一个Class对象被加载。类加载过程涉及以下几个关键步骤：

  1. 加载：类加载器通过类名找到对应的.class文件，然后通过文件输入流读取字节码，并将其存储在方法区中。这一步涉及到类加载器的查找过程，通常按照双亲委派模型进行。

  2. 验证：验证过程确保加载的类信息符合JVM规范，包括字节码的格式、符号引用的解析等。这一步主要防止恶意代码对JVM的破坏。

  3. 准备：为类变量分配内存，并设置默认值。对于基本数据类型，默认值是0、false或null；对于对象类型，默认值是null。

  4. 解析：将符号引用转换为直接引用，即把类、接口、字段和方法的符号引用替换为直接引用。

  5. 初始化：执行类的初始化代码，如静态变量赋值和静态代码块。这个过程是类加载的最后一步，也是初始化类信息的关键步骤。

双亲委派模型

双亲委派模型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。这种模型的优点在于：

  • 避免类的重复加载：如果父类加载器已经加载了某个类，子类加载器则无需重复加载。
  • 保证类型安全：子类加载器不会加载与父类加载器存在冲突的类。
自定义类加载器

在某些场景下，可能需要自定义类加载器，例如实现模块化系统（JPMS）。自定义类加载器需要继承ClassLoader类或实现ClassLoader接口，并重写findClass方法。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一个模块化系统，它通过模块定义和模块间依赖关系来组织类和资源。模块化系统的主要特点包括：

  • 模块定义：每个模块都有一个模块描述文件module-info.java，用于声明模块的名称、版本、主类和依赖关系。
  • 模块间依赖：模块之间通过声明依赖关系来组织类和资源。
  • 模块封装：模块可以封装其内部的类和资源，防止外部访问。
内存模型

JVM的内存模型可以分为运行时数据区和PC寄存器。

  1. 运行时数据区：

    • 堆：存储几乎所有的对象实例和数组的实例。堆空间是动态分配的，垃圾回收主要发生在堆空间。
    • 栈：存储局部变量和方法调用栈。栈空间是线程私有的，线程之间不会共享栈空间。
    • 方法区：存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据。方法区是所有线程共享的。
    • PC寄存器：用于存储当前线程所执行的指令的地址。PC寄存器是线程私有的。

  2. 内存溢出场景分析：

    • 堆空间不足：大量对象创建、循环引用、内存泄漏等可能导致堆空间不足。
    • 栈空间不足：递归调用深度过大、方法调用栈过深等可能导致栈空间不足。
    • 方法区不足：加载大量类、使用大量常量等可能导致方法区不足。
垃圾回收

垃圾回收是JVM自动管理内存的重要机制。垃圾回收的主要步骤包括：

  1. GC Roots可达性分析：从GC Roots开始，遍历所有可达对象，确定哪些对象是不可达的。
  2. 标记：标记所有可达对象。
  3. 清除：清除未被标记的对象。
  4. 整理：移动对象，回收内存碎片。
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。

  1. 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。
  2. 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。
  3. 弱引用：类似于软引用，但弱引用指向的对象在垃圾回收器进行回收时，不会被显式地回收。
  4. 虚引用：用于跟踪对象被回收的情况，虚引用指向的对象在垃圾回收器进行回收时，会收到一个通知。
垃圾回收算法
  1. 标记-清除：标记所有可达对象，清除未被标记的对象。
  2. 复制：将对象复制到另一个区域，回收原始区域。
  3. 整理：移动对象，回收内存碎片。
并发收集器
  1. CMS（Concurrent Mark Sweep）：以最短停顿时间为目标，通过多线程并行执行垃圾回收任务。
  2. G1（Garbage-First）：将堆内存分为多个区域，优先回收垃圾最多的区域。
  3. ZGC（Z Garbage Collector）：以低延迟为目标的垃圾回收器。
停顿时间控制策略

JVM提供了多种停顿时间控制策略，如G1的动态停顿时间目标（G1 Young GC）。

性能调优

通过JVM参数配置（如Xms、Xmx等）和内存泄漏诊断来优化JVM性能。

二、Spring Boot知识体系

自动配置

Spring Boot通过自动配置功能，自动配置Spring应用程序所需的各种Bean。自动配置的原理如下：

  1. @EnableAutoConfiguration注解：用于启用自动配置功能，它通过SpringFactoriesLoader加载所有类路径下的META-INF/spring.factories文件，查找对应的AutoConfiguration类并自动配置。

  2. 条件化配置（@Conditional）：条件化配置允许在满足特定条件时才进行配置。例如，@ConditionalOnClass、@ConditionalOnMissingBean等。

  3. 自定义Starter开发：自定义Starter可以帮助开发者将常用的依赖和配置封装起来，方便其他开发者使用。

起步依赖

起步依赖是Spring Boot的核心概念之一，它通过Maven或Gradle的方式管理项目依赖。起步依赖的主要特点包括：

  1. 依赖管理机制（BOM文件）：BOM（Bill of Materials）文件用于管理项目依赖的版本，确保项目的一致性。

  2. 版本冲突解决：通过依赖管理机制和版本控制策略来解决版本冲突。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式，如声明式集成、编程式集成等。

  1. 声明式集成：通过配置文件或注解的方式集成第三方库，例如使用@Bean注解声明Bean。

  2. 编程式集成：通过编写代码的方式集成第三方库，例如使用Spring的AOP功能。

Actuator

Actuator是Spring Boot提供的一个模块，用于监控和管理Spring Boot应用程序。Actuator的主要功能包括：

  1. 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态。

  2. 度量指标收集：Actuator支持收集应用程序的度量指标，如内存使用情况、线程数等。

  3. 自定义Endpoint开发：开发者可以自定义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程序的配置信息。配置文件的主要特点包括：

  1. 多环境配置（application-{profile}.yml）：Spring Boot支持多环境配置，通过application-{profile}.yml文件来区分不同环境的配置。

  2. 配置加载优先级：Spring Boot按照以下优先级加载配置文件：命令行参数 > 配置文件 > 系统属性 > 环境变量。

  3. 动态配置刷新：Spring Boot支持动态刷新配置文件，以便在运行时修改配置。

监控与日志

Spring Boot提供了多种监控和日志解决方案。

  1. Micrometer集成：Micrometer是一个度量指标库，Spring Boot支持与Micrometer集成。

  2. Logback/SLF4J配置：Spring Boot默认使用Logback作为日志框架，开发者可以选择SLF4J作为日志门面。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin、Jaeger等。

扩展机制

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

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，如Spring WebFlux。

通过以上对JVM和Spring Boot知识体系的详细描述，我们可以看到两者之间的紧密联系。JVM作为Java应用的基础，为Spring Boot提供了运行环境；而Spring Boot则利用JVM的特性，简化了Java应用的开发过程。在实际应用中，开发者需要深入了解JVM和Spring Boot的知识，才能更好地开发和优化Java应用。

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本资源文件是基于STM32F103ZET6与OpenMV4H7Plus开发的智能分类垃圾桶项目，适用于2021年工训大赛（垃圾分类组）。项目包含了完整的STM32单片机程序、OpenMV主程序以及训练好的垃圾分类模型，能够满足比赛的所有要求。 功能特点 主控与识别模块： 主控使用正点原子精英板（STM32F103ZET6）。 识别模块使用OpenMV4H7Plus。 核心功能： 内置训练好的垃圾分类模型。 支持播放视频、满载检测、垃圾分类、垃圾信息显示以及倒垃圾功能。 通信方式： 封装了STM32与OpenMV之间的串口通信方法，具有较高的可移植性。 项目结构 STM32程序：包含STM32F103ZET6的固件代码，负责控制垃圾桶的各项功能。 OpenMV程序：包含OpenMV4H7Plus的识别程序，负责垃圾分类模型的运行与识别结果的输出。 垃圾分类模型：训练好的模型文件，用于识别不同类型的垃圾。 使用说明 硬件连接： 将STM32F103ZET6与OpenMV4H7Plus通过串口连接。 确保硬件连接正确，电源供应稳定。 软件配置： 将STM32程序烧录到主控板中。 将OpenMV程序上传到OpenMV4H7Plus。 运行测试： 启动系统后，垃圾桶将自动进行垃圾分类识别。 系统会根据识别结果进行相应的分类处理，并显示垃圾信息。
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