JVM与Spring Boot核心知识

📕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。

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一、JVM知识体系

在深入探讨Java虚拟机（JVM）之前，我们先要理解JVM作为一个运行时环境，它如何加载、执行和回收Java程序中的类。以下是JVM知识体系的核心知识点：

类加载机制

类加载是JVM执行Java程序的第一步，它负责从文件系统或网络中加载Class文件，并将其转换成方法区的运行时数据结构。类加载机制包括以下几个关键步骤：

1. 加载（Loading）：这一过程涉及到类加载器的选择与操作。JVM中存在多种类加载器，如Bootstrap ClassLoader、Extension ClassLoader和Application ClassLoader。Bootstrap ClassLoader负责加载核心类库，如rt.jar中的类；Extension ClassLoader负责加载JVM扩展库；Application ClassLoader负责加载应用程序类路径中的类。加载过程包括：

   • 通过文件输入流读取Class文件；
   • 解析Class文件格式，创建Class对象，记录类的基本信息；
   • 将Class对象存放到方法区中。

2. 连接（Linking）：连接阶段分为验证、准备和解析三个步骤：

   • 验证：确保加载的类信息符合JVM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。对于数值类型，默认值为0；对于布尔类型，默认值为false；对于引用类型，默认值为null；
   • 解析：将符号引用转换为直接引用。符号引用是指通过字符串形式表示的类、接口、字段和方法的引用，而直接引用是指直接指向对象的引用。

3. 初始化（Initialization）：初始化阶段会执行类的初始化代码，如静态初始化器。初始化过程包括：

   • 执行静态初始化块；
   • 对类变量进行赋值；
   • 执行静态代码块。

双亲委派模型

双亲委派模型是JVM类加载机制的一个关键特性，它规定类加载器在尝试加载一个类之前，首先委托其父类加载器去加载，只有当父类加载器无法加载该类时，才由自己来加载。这种模型有助于保证类型安全，防止类替换攻击。

模块化系统（JPMS）

为了提高JVM的性能和灵活性，Java 9引入了模块化系统（JPMS），它将类加载器体系结构扩展到模块级别，使得JVM能够更加高效地管理和加载类。模块化系统通过模块描述符（module-info.java）来定义模块的依赖关系和权限。

内存模型

JVM的内存模型包括以下运行时数据区：

1. 堆（Heap）：所有线程共享的内存区域，用于存放几乎所有的对象实例和数组的内存。堆内存由垃圾回收器自动管理，分为新生代和老年代。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。
2. 栈（Stack）：每个线程拥有的内存区域，用于存放局部变量和方法调用信息。栈内存是线程私有的，不受垃圾回收器管理。
3. 方法区（Method Area）：用于存放已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据。方法区是线程共享的，也是垃圾回收器不会回收的区域。
4. PC寄存器：每个线程都有一个PC寄存器，用于指示下一条要执行的指令。PC寄存器是线程私有的，不受垃圾回收器管理。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在以下场景：

• 创建对象过多，导致堆内存不足；
• 长期占用栈内存，导致栈内存不足；
• 方法区或永久代内存不足。

垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动管理内存的关键机制，它通过回收不再使用的对象来释放内存。垃圾回收的流程包括：

1. GC Roots可达性分析：从GC Roots开始，向上遍历整个对象图，标记可达的对象。GC Roots包括：

   • 栈中的引用变量；
   • 方法区中的静态变量；
   • 方法区中的常量池；
   • 本地方法栈中的引用变量。

2. 分代收集理论：将对象分为新生代（Young）和老年代（Old），分别采用不同的回收策略。新生代采用复制算法，老年代采用标记-清除或标记-整理算法。

3. 引用类型：包括强引用、软引用、弱引用和虚引用，不同的引用类型决定了对象的生命周期。强引用是最常见的引用类型，只要存在强引用，对象就不会被垃圾回收；软引用和弱引用可以被垃圾回收器回收，但软引用和弱引用在内存不足时才被回收；虚引用是一种非常弱的引用，它只能被垃圾回收器回收，但无法通过虚引用访问对象。

4. 垃圾回收算法：包括标记-清除、复制和整理算法。标记-清除算法首先标记所有可达对象，然后清除未被标记的对象；复制算法将对象分为两块，每次只使用其中一块，当这块空间用完时，将存活对象复制到另一块空间，并清空原来的空间；整理算法在标记-清除算法的基础上，将存活对象移动到内存的一端，清空另一端的空间。

5. 并发收集器：如CMS和G1，它们在执行垃圾回收时尽量减少对应用程序的干扰。CMS（Concurrent Mark Sweep）是并发标记清除算法，G1（Garbage-First）是一种基于Region的并发标记整理算法。

6. 停顿时间控制策略：如G1的动态停顿时间目标，通过调整垃圾回收策略来控制停顿时间。

性能调优

JVM性能调优包括：

• JVM参数配置，如Xms、Xmx等；
• 内存泄漏诊断；
• JIT编译优化。

二、Spring Boot知识体系

Spring Boot是一个开源的Java-based框架，它简化了Spring应用的创建和配置过程。以下是Spring Boot知识体系的核心知识点：

自动配置

Spring Boot的自动配置是基于条件化配置的，它能够根据类路径下添加的jar依赖自动配置Spring框架的组件。自动配置的核心原理是：

1. @EnableAutoConfiguration：通过该注解启用自动配置。当Spring Boot应用程序启动时，它会扫描类路径下的jar依赖，根据依赖关系自动配置相应的组件。

2. 条件化配置（@Conditional）：根据特定的条件，有选择地启用配置。例如，当类路径下存在某个jar依赖时，才会启用对应的自动配置。

自定义Starter开发

自定义Starter可以简化项目的依赖管理，以下是如何开发自定义Starter：

1. 创建一个Maven项目，并添加Spring Boot的依赖。

2. 编写一个配置类，用于定义自动配置的逻辑。配置类需要使用@Configuration注解，并可以包含多个@Bean方法，用于创建和管理Spring容器中的Bean。

3. 在项目的pom.xml中添加Starter的依赖。Starter的依赖包括：

   • 自定义Starter的Maven坐标；
   • 依赖管理配置，用于自动将Starter的依赖添加到项目的依赖列表中。

起步依赖

起步依赖（Starter POM）是Spring Boot提供的依赖管理机制，它将常用的库组合在一起，简化了项目的依赖配置。起步依赖通常以spring-boot-starter-*的形式命名，其中*表示具体的组件。

版本冲突解决

在项目中，可能会遇到版本冲突的问题，解决方法包括：

• 使用依赖管理工具（如Maven或Gradle）的依赖树分析功能，查看依赖关系，手动调整依赖版本；
• 使用依赖冲突解决插件，如Maven的enforcer-plugin或Gradle的enforcer。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库的集成模式，包括：

• 使用Spring Boot的自动配置；
• 手动配置。手动配置需要手动编写配置类，并使用@Configuration、@Bean等注解进行配置。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了健康检查、度量指标收集和自定义端点等功能，以下是其主要特点：

1. 健康检查端点：用于检查应用程序的健康状态。健康检查端点包括/health、/health/details等。

2. 度量指标收集：用于收集应用程序的性能指标。度量指标包括CPU使用率、内存使用量、数据库连接数等。

3. 自定义Endpoint开发：可以自定义端点来满足特定的监控需求。自定义端点需要实现Endpoint接口，并使用@RestController注解。

配置文件管理

Spring Boot使用配置文件来管理应用程序的配置，以下是其特点：

1. 多环境配置：使用application-{profile}.yml文件来管理不同环境的配置。其中{profile}表示配置文件名称，如application-dev.yml、application-prod.yml等。

2. 配置加载优先级：优先加载application.yml，然后是application-{profile}.yml。

3. 动态配置刷新：支持动态刷新配置，无需重启应用程序。

监控与日志

Spring Boot集成了Micrometer来支持监控，并使用Logback/SLF4J来管理日志。以下是其特点：

1. Micrometer集成：用于集成不同的监控工具，如Prometheus、Grafana等。

2. Logback/SLF4J配置：用于配置日志记录器，包括日志级别、日志格式、日志输出位置等。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，以下是其特点：

1. 自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点：用于自定义AutoConfigurationBean的生命周期。

2. 响应式编程支持：支持响应式编程模型。

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技术如何相互关联，并共同构建现代Java应用。JVM提供了Java程序的运行时环境，而Spring Boot则在此基础上提供了快速开发和部署的框架。两者结合，使得Java开发人员能够更高效地构建和维护复杂的业务系统。

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