JVM与Spring Boot深度解析

📕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

JVM（Java虚拟机）是Java语言运行环境的核心，它负责将Java字节码转换为机器码执行，同时提供运行时的内存管理、垃圾回收、线程管理等基础服务。以下是对JVM知识体系的详细解析，涵盖其核心机制和技术实现细节。

类加载机制

类加载机制是JVM的核心功能之一，负责将类定义的数据从Class文件加载到JVM中，并在内存中生成一个Java类对象的过程。

类加载过程

1. 加载（Loading）：加载过程涉及到以下步骤：

   • 查找类定义：根据类名和类加载器的类路径，定位到Class文件。
   • 读取Class文件：将Class文件的内容读入内存，并存储到方法区。
   • 生成Class对象：在方法区中生成代表该类的Class对象。

2. 连接（Linking）：包括验证、准备和解析三个子阶段：

   • 验证：确保Class文件的字节码符合JVM规范，无安全风险。
   • 准备：为类变量分配内存，并设置初始值。
   • 解析：将符号引用替换为直接引用，即指向方法区内的地址。

3. 初始化（Initialization）：执行类构造器（ ()），初始化类变量，并执行静态代码块。

双亲委派模型

双亲委派模型要求子类加载器先请求其父类加载器进行类的加载，只有当父类加载器无法完成加载任务时，才由子类加载器尝试加载。这种模型确保了Java应用的安全性和稳定性。

自定义类加载器

自定义类加载器允许开发者根据需要自定义类加载过程，实现特定的加载策略，如隔离加载、插件加载等。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的模块化系统，它将Java程序分解为多个模块，实现了模块之间的隔离，提高了系统的可维护性和性能。

内存模型

JVM的内存模型包括以下几个部分：

运行时数据区

1. 堆（Heap）：用于存储几乎所有的对象实例和数组的内存区域，是垃圾回收的主要区域。
2. 栈（Stack）：为每个线程分配，用于存储局部变量、操作数栈和调用栈等信息。
3. 方法区（Method Area）：存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据，是共享数据区域。
4. PC寄存器：存储正在执行的线程的当前指令的地址。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在以下场景：

• 堆内存不足：由于对象创建过多，超过堆内存容量。
• 栈内存不足：方法调用太深，超过栈内存容量。
• 方法区不足：类定义过多，超过方法区容量。

直接内存管理

直接内存管理允许JVM不通过堆分配内存，而是通过本地内存分配器直接分配内存，用于存储大量数据，如大型文件映射或网络通信缓冲区。

垃圾回收

垃圾回收是JVM自动管理内存的重要机制，它通过回收不再使用的对象来释放内存。

GC Roots可达性分析

GC Roots可达性分析是垃圾回收的核心算法之一，它从GC Roots开始向上遍历，确定哪些对象是可达的，从而决定哪些对象可以被回收。

分代收集理论

分代收集理论将对象分为不同代，如新生代（Young）、老年代（Old），针对不同代的特点采用不同的回收策略。

引用类型

引用类型包括强引用、软引用、弱引用和虚引用，它们在垃圾回收中的行为不同，影响垃圾回收器对对象的回收决策。

垃圾回收算法

垃圾回收算法包括标记-清除、复制、整理等，每种算法都有其优缺点和适用场景。

并发收集器

并发收集器如CMS（Concurrent Mark Sweep）、G1（Garbage-First）、ZGC（Z Garbage Collector）等，在垃圾回收过程中尽量减少对应用程序的干扰，提高系统性能。

停顿时间控制策略

停顿时间控制策略如最小停顿时间目标和最大停顿时间目标，旨在控制垃圾回收过程中应用程序的停顿时间，以满足系统性能需求。

性能调优

JVM性能调优涉及JVM参数配置、内存泄漏诊断、JIT编译优化等方面，旨在提高应用程序的性能和稳定性。

二、Spring Boot知识体系

Spring Boot是一个开源的Java框架，它简化了Spring应用的创建和配置过程，通过自动配置、起步依赖、第三方库集成等特性，降低了开发难度。

自动配置

Spring Boot的自动配置功能可以根据项目依赖自动配置Spring框架的相关组件，从而降低项目的配置复杂度。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解是Spring Boot自动配置的核心，它通过类路径下添加的jar包和配置文件来推断出需要自动配置的Bean。例如，当项目中存在HikariCP依赖时，Spring Boot会自动配置HikariCP数据源。

条件化配置（@Conditional）

条件化配置允许开发者根据特定的条件选择性地配置Bean。例如，可以使用@ConditionalOnClass注解，只有当类路径下存在指定类时，才会进行配置。

自定义Starter开发

自定义Starter可以帮助开发者将一些常用的依赖和配置封装起来，方便其他开发者使用。开发者可以通过添加spring-boot-starter父项目依赖，将自定义Starter引入到项目中。

起步依赖

起步依赖是Spring Boot的核心概念之一，它允许开发者通过简单的声明式依赖来构建应用程序。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM（Bill of Materials）文件是Spring Boot中依赖管理的重要工具，它定义了所有依赖的版本信息，确保了不同模块之间依赖的一致性。

版本冲突解决

版本冲突是依赖管理中的常见问题，Spring Boot提供了多种策略来解决版本冲突，如选择兼容版本、依赖排除等。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式，如自动配置、配置文件等。

自动配置

Spring Boot会根据项目依赖自动配置第三方库，例如，当项目引入MyBatis依赖时，Spring Boot会自动配置MyBatis。

配置文件

Spring Boot支持多种配置文件格式，如application.properties和application.yml，方便开发者进行配置管理。

Actuator

Spring Boot Actuator是一个监控和管理Spring Boot应用程序的端点。

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，如检查数据库连接是否正常、服务是否启动等。

度量指标收集

度量指标收集允许开发者收集应用程序的性能数据，如CPU使用率、内存使用量等。

自定义Endpoint开发

自定义Endpoint允许开发者根据需求扩展Actuator的功能，如添加自定义的监控数据、健康检查等。

配置文件管理

Spring Boot支持多种配置文件格式，如application.properties和application.yml，方便开发者进行配置管理。

多环境配置（application-{profile}.yml）

多环境配置允许开发者为不同的环境配置不同的配置文件，例如，开发环境、测试环境和生产环境。

配置加载优先级

配置加载优先级决定了配置文件的加载顺序，确保优先加载更重要的配置文件。

动态配置刷新

动态配置刷新允许开发者实时更新配置文件，提高配置管理的灵活性。

监控与日志

Spring Boot提供了多种监控和日志工具，如Micrometer、Logback/SLF4J等。

Micrometer集成

Micrometer是一个度量指标收集库，它可以与多种监控系统集成，如Prometheus、Grafana等。

Logback/SLF4J配置

Logback/SLF4J是日志框架，它们可以帮助开发者更好地管理应用程序的日志，如设置日志级别、输出格式、日志文件管理等。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin、Jaeger等，帮助开发者了解应用程序的调用流程和性能问题。

自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点

自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点允许开发者根据需要扩展Spring Boot的生命周期，如添加自定义的Bean初始化和销毁逻辑。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，如Spring WebFlux等，帮助开发者构建高并发、低延迟的应用程序。

通过以上对JVM和Spring Boot知识体系的详细解析，我们可以更好地理解这两个技术栈的原理和应用。在实际开发中，我们可以结合这些知识点，举一反三，解决实际问题，提高开发效率。

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