JVM与Spring Boot精要

📕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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JVM知识体系

类加载机制

Java虚拟机（JVM）的类加载机制是Java程序运行的基础，它负责将类定义（.class文件）加载到JVM中，并创建对应的Java类型（Class对象）。这一机制确保了程序的类型安全性和动态性。

• 类加载过程：类加载过程可以分为三个阶段：加载、连接和初始化。
  • 加载：加载阶段是类加载的开始，JVM通过类加载器将类的.class文件读入内存，并为之创建一个Class对象。在这一过程中，类加载器需要从文件系统、网络或其他源查找.class文件。
  • 连接：连接阶段包括验证、准备和解析三个子阶段。验证确保类符合JVM规范，防止内存安全问题。准备阶段为类变量分配内存并设置默认初始值。解析阶段将符号引用转换为直接引用，即将类、接口、字段和方法的符号引用替换为直接引用。
  • 初始化：初始化阶段为类变量赋值，执行静态代码块以及构造器中的代码。这个过程可以由程序显式调用或者由系统触发。

双亲委派模型

双亲委派模型是Java类加载机制的一个核心原则，它要求类加载器首先委托给其父类加载器进行加载，只有当父类加载器无法加载该类时，才由当前类加载器加载。

• 父类加载器：通常情况下，JVM会为Java标准库定义一个启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），它负责加载JVM启动时指定的库。除此之外，JVM还提供了一个扩展类加载器（Extension ClassLoader），负责加载JVM扩展目录中的类库。
• 应用程序类加载器：应用程序类加载器负责加载应用程序中的类。

自定义类加载器

自定义类加载器允许用户在特定情况下加载类，例如加载网络资源、加密资源等。

• 自定义类加载器实现：自定义类加载器需要继承java.lang.ClassLoader类，并重写findClass方法。
• 类加载器命名空间：每个类加载器都有自己的命名空间，同一个类在不同的命名空间中可以存在多个实例。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一种模块化系统，它将JVM中的类组织成模块，从而提高JVM的性能和安全性。

• 模块定义：模块通过模块描述文件（module-info.java）定义，其中包含了模块的名称、依赖关系、可访问的包等信息。
• 模块加载：JVM通过解析模块描述文件，将模块加载到内存中。

内存模型

JVM的内存模型包括以下部分：

• 运行时数据区：
  • 堆：堆是JVM内存中最大的一个区域，用于存储所有类实例和数组对象。堆的分配策略和内存管理对JVM的性能有重要影响。
  • 栈：每个线程有一个栈，用于存储局部变量和方法调用信息。栈的内存分配是线程私有的，因此不会引起线程安全问题。
  • 方法区：方法区存储已经被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据。方法区的内存分配是线程共享的。
  • PC寄存器：PC寄存器用于存储当前线程所执行的字节码指令的地址。PC寄存器是线程私有的。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在以下场景：

• 堆空间不足：大量对象被创建，超过堆的最大容量。
• 栈空间不足：方法调用深度过大，导致栈溢出。
• 方法区空间不足：加载大量类或大量使用静态变量。

垃圾回收

垃圾回收（Garbage Collection，GC）是JVM自动回收不再使用的对象占用的内存的过程。

• GC Roots可达性分析：GC通过分析对象之间的引用关系，找到所有可达的对象，不可达的对象将被回收。
• 分代收集理论：根据对象的生命周期将堆分为年轻代（Young）、老年代（Old）和永久代（Perm），针对不同代采取不同的回收策略。
• 引用类型：包括强引用、软引用、弱引用和虚引用。
• 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：将堆分为两个相等大小的区域，每次只使用其中一个区域，当这个区域满了，就将存活的对象复制到另一个区域，然后清理原来的区域。
  • 整理：类似于复制算法，但会移动所有存活对象到一个区域，然后压缩空闲空间。

并发收集器

JVM提供了多种并发收集器，如CMS（Concurrent Mark Sweep）、G1（Garbage-First）和ZGC（Z Garbage Collector），它们旨在减少停顿时间。

• CMS收集器：CMS收集器是一种以降低停顿时间为目标的收集器，适用于对响应时间有较高要求的场景。
• G1收集器：G1收集器是一种面向服务器的收集器，适用于多核处理器和大堆内存的场景。
• ZGC收集器：ZGC收集器是一种低延迟的收集器，适用于对延迟敏感的场景。

停顿时间控制策略

JVM提供了多种策略来控制停顿时间，如适应性大小调整、并发标记和清理等。

• 适应性大小调整：根据应用运行时的内存使用情况，动态调整堆的大小。
• 并发标记：在并发标记阶段，JVM会同时进行垃圾回收和应用程序的执行。
• 清理：在清理阶段，JVM会回收未被引用的对象。

性能调优

性能调优是优化JVM性能的关键，包括JVM参数配置、内存泄漏诊断和JIT编译优化等。

• JVM参数配置：通过调整JVM参数，可以优化JVM的性能。
• 内存泄漏诊断：内存泄漏是指程序中未被释放的内存，会导致内存占用不断增加，最终导致内存溢出。
• JIT编译优化：JIT编译器可以将字节码编译成本地机器码，从而提高程序的执行效率。

Spring Boot知识体系

自动配置

Spring Boot通过自动配置简化了Spring应用的配置过程。当Spring Boot启动时，它会根据类路径下添加的jar包和项目配置自动配置相关的Bean。

• @EnableAutoConfiguration原理：Spring Boot通过查找所有启用了@EnableAutoConfiguration注解的类，然后根据类路径下的jar包和项目配置自动配置相关的Bean。这个过程涉及到Spring的自动装配机制。
• 条件化配置（@Conditional）：Spring Boot允许通过@Conditional注解对自动配置进行条件控制，只有满足特定条件时，相关的配置才会生效。条件化配置可以基于类路径、属性值、注解等条件进行。

自定义Starter开发

Spring Boot提供了自定义Starter的开发机制，方便用户创建自己的Starter依赖。

• 起步依赖：起步依赖是一组预定义的依赖，用于简化Spring Boot应用的依赖管理。起步依赖中包含了Spring Boot应用所需的所有依赖。
• 依赖管理机制（BOM文件）：BOM（Bill of Materials）文件用于统一管理所有依赖的版本。BOM文件可以确保项目的所有依赖版本一致。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库的集成模式，包括自动配置、配置属性和条件化配置等。

• 自动配置：Spring Boot会自动配置第三方库，例如数据库连接池、缓存等。
• 配置属性：Spring Boot允许通过配置文件或环境变量设置第三方库的配置属性。
• 条件化配置：Spring Boot允许通过@Conditional注解对第三方库的集成进行条件控制。

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。通过健康检查端点，可以了解应用的各种健康指标，例如内存使用情况、数据库连接状态等。
• 度量指标收集：用于收集应用的各种度量数据。度量数据可以用于监控系统性能、分析问题等。
• 自定义Endpoint开发：用户可以根据需要开发自定义的端点，以扩展Actuator的功能。

配置文件管理

Spring Boot使用配置文件来管理应用的配置，支持多环境配置和动态配置刷新。

• 多环境配置（application-{profile}.yml）：Spring Boot支持通过配置文件的不同环境来管理不同环境的配置。例如，可以通过application-dev.yml和application-prod.yml来分别管理开发和生产环境的配置。
• 配置加载优先级：Spring Boot会根据配置文件的优先级来加载配置。配置文件的优先级取决于配置文件的路径和名称。

监控与日志

Spring Boot集成了Micrometer用于集成各种监控工具，同时支持Logback/SLF4J等日志框架。

• Micrometer集成：Micrometer是一个轻量级的监控工具，Spring Boot可以通过它轻松集成各种监控工具。Micrometer支持多种监控数据源，例如Prometheus、InfluxDB等。
• Logback/SLF4J配置：Spring Boot支持使用Logback或SLF4J作为日志框架。用户可以根据需要配置日志级别、日志格式、日志输出位置等。

分布式链路追踪扩展机制

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin和Jaeger，通过扩展点进行集成。

• Zipkin：Zipkin是一个开源的分布式追踪系统，可以用于收集、存储和展示分布式系统中各个组件之间的调用关系。
• Jaeger：Jaeger是一个开源的分布式追踪系统，可以用于收集、存储和展示分布式系统中各个组件之间的调用关系。

自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点

Spring Boot允许用户通过自定义AutoConfigurationBean的生命周期扩展点来修改自动配置的过程。

• AutoConfigurationImportSelector：Spring Boot允许用户通过实现AutoConfigurationImportSelector接口来自定义自动配置的导入过程。
• @ConfigurationProperties：Spring Boot允许用户通过@ConfigurationProperties注解将配置文件中的属性绑定到Java对象上。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，通过Spring WebFlux框架实现。

• 响应式编程：响应式编程是一种编程范式，它允许程序以异步方式处理事件或数据流。
• Spring WebFlux：Spring WebFlux是一个基于响应式编程的Web框架，它可以用于构建高性能、高并发的Web应用。

总结

本文详细介绍了JVM和Spring Boot的知识体系，从类加载机制、内存模型到垃圾回收，再到Spring Boot的自动配置、配置文件管理和分布式链路追踪等。这些知识点的串联和应用，有助于读者深入理解Java虚拟机和Spring Boot的工作原理，为实际开发提供有力支持。

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