JVM & Spring Boot核心解析

📕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。

Java程序员廖志伟

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一、JVM知识体系

  1. 类加载机制

JVM的类加载机制是JVM核心功能之一,负责将Java源代码编译生成的字节码加载到JVM中。类加载机制包括类加载器、类加载过程和双亲委派模型。

(1)类加载过程

类加载过程分为三个阶段:加载、连接和初始化。

  • 加载:在这一阶段,JVM会通过类加载器读取类文件,将其转换成二进制数据,并生成一个Class对象。这个过程涉及到类加载器的选择,通常包括Bootstrap ClassLoader、Extension ClassLoader和Application ClassLoader。

    • Bootstrap ClassLoader:负责加载JVM核心库,如rt.jar,它使用原生代码实现,无法被Java代码修改。

    • Extension ClassLoader:负责加载JVM扩展库,如javax.*包,它由JVM实现,通常位于JVM的lib目录下。

    • Application ClassLoader:负责加载应用程序中的类库,它是默认的类加载器,由用户自定义。

  • 连接:连接阶段包括验证、准备和解析三个步骤。

    • 验证:确保类文件的字节码是合法的,不会对JVM的安全造成威胁。

    • 准备:为类变量分配内存,并设置默认初始值。

    • 解析:将符号引用转换为直接引用,如将类名解析为类的内存地址。

  • 初始化:初始化阶段是类加载过程的最后一个阶段,主要执行类构造器方法,完成类初始化。

(2)双亲委派模型

双亲委派模型是一种类加载器之间的委托关系,子类加载器在尝试加载类时,首先委托给父类加载器进行加载。如果父类加载器无法加载,则子类加载器再尝试加载。

这种模型的优点是避免类的重复加载,保证类型安全。例如,当一个类被加载时,Bootstrap ClassLoader会先尝试加载,如果加载失败,则由Extension ClassLoader加载,最后由Application ClassLoader加载。这样,确保了只有JVM核心库中的类才能被Bootstrap ClassLoader加载。

(3)自定义类加载器

自定义类加载器允许用户加载特定路径下的类文件,实现模块化设计。例如,可以创建一个自定义类加载器,用于加载第三方库中的类文件,避免与其他类加载器冲突。

  1. 模块化系统(JPMS)

模块化系统(Java Platform Module System,JPMS)是Java 9引入的新特性,旨在提高JVM的启动速度、内存占用和安全性。

JPMS将JVM的类加载机制进行了重构,引入了模块的概念。模块是一个独立的、可复用的代码单元,包含了一组类和资源。通过模块,可以更好地组织和管理代码,提高代码的可维护性和可扩展性。

在JPMS中,模块的声明和使用都通过模块描述文件(module-info.java)进行。模块描述文件定义了模块的名称、版本、依赖关系等元数据。

  1. 内存模型

JVM内存模型包括运行时数据区和直接内存管理。

(1)运行时数据区

运行时数据区包括:

  • 堆:堆是JVM中最大的内存区域,用于存放几乎所有的对象实例。堆内存的分配和回收由垃圾回收器管理。

  • 栈:栈用于存放局部变量和方法调用。每个线程都有自己的栈空间,栈内存的分配和回收是线程私有的。

  • 方法区:方法区用于存放类信息、常量、静态变量等。方法区是所有线程共享的。

  • PC寄存器:PC寄存器用于存放当前线程所执行的字节码的索引。每个线程都有自己的PC寄存器。

(2)直接内存管理

直接内存管理允许JVM直接使用操作系统内存,减少堆内存的使用,提高性能。这种内存被称为直接内存或堆外内存,可以通过ByteBuffer类进行操作。

  1. 内存溢出场景分析

内存溢出场景包括:

  • 堆内存溢出:对象实例过多,导致堆内存不足。可以通过调整JVM堆内存大小、优化对象创建方式等解决。

  • 栈内存溢出:方法调用栈过深,导致栈内存不足。可以通过减少方法调用深度、优化代码结构等解决。

  1. 垃圾回收

垃圾回收是JVM自动回收不再使用的对象,释放内存空间。

(1)GC Roots可达性分析

GC Roots是垃圾回收的起点,包括栈帧中的局部变量表、方法区中的常量池、运行时常量池等。

(2)分代收集理论

分代收集理论将对象分为新生代和老年代,分别采用不同的垃圾回收策略。

  • 新生代:主要存放新创建的对象,采用复制算法。复制算法将堆内存分为两个区域,每次只使用其中一个区域,当垃圾回收时,将存活对象复制到另一个区域。

  • 老年代:存放长期存活的对象,采用标记-清除或标记-整理算法。标记-清除算法先标记所有可达对象,然后清除未被标记的对象。标记-整理算法是标记-清除算法的改进,它减少了内存碎片。

(3)引用类型

引用类型包括强引用、软引用、弱引用和虚引用。

  • 强引用:最普通的引用类型,对象不会被垃圾回收。

  • 软引用:对象可能被垃圾回收,但回收前会尝试进行资源回收。

  • 弱引用:对象必定会被垃圾回收。

  • 虚引用:对象完全不被引用,只能通过虚引用访问。

(4)垃圾回收算法

垃圾回收算法包括标记-清除、复制和整理算法。

  • 标记-清除:先标记所有可达对象,然后清除未被标记的对象。

  • 复制:将对象分为两块内存,每次只使用其中一块,垃圾回收时,将存活对象复制到另一块内存。

  • 整理:标记-清除算法的改进,减少内存碎片。

(5)并发收集器

并发收集器包括CMS和G1。

  • CMS:适用于响应时间敏感的场景,降低停顿时间。CMS通过减少垃圾回收的停顿时间来提高系统性能。

  • G1:适用于大内存场景,自动选择垃圾回收停顿时间。G1通过将堆内存划分为多个区域,分别进行垃圾回收,以实现更细粒度的控制。

  1. 停顿时间控制策略

停顿时间控制策略包括:

  • 最大停顿时间:限制垃圾回收的最大停顿时间。可以通过JVM参数调整最大停顿时间。

  • 预估停顿时间:根据历史数据预测垃圾回收的停顿时间。JVM会根据历史数据预测垃圾回收的停顿时间,并尝试在目标停顿时间内完成垃圾回收。

  1. 性能调优

性能调优包括:

  • JVM参数配置:调整堆内存大小、垃圾回收策略等。可以通过JVM参数调整堆内存大小、垃圾回收策略等,以优化JVM性能。

  • 内存泄漏诊断:使用工具分析内存泄漏原因。内存泄漏是指程序中不再使用的对象无法被垃圾回收器回收,导致内存占用不断增加。可以使用内存分析工具,如VisualVM、MAT等,分析内存泄漏原因。

  • JIT编译优化:优化热点代码,提高执行效率。JIT编译器可以将Java字节码编译成机器码,提高执行效率。可以通过JVM参数调整JIT编译器的工作方式,优化热点代码。

二、Spring Boot知识体系

  1. 自动配置

Spring Boot通过自动配置功能,简化了项目搭建过程。

(1)@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解通过查找所有符合条件的自动配置类,自动配置Spring Boot项目。自动配置类通常位于Spring Boot的starter依赖中,如spring-boot-starter-web。

@EnableAutoConfiguration注解会扫描所有带有@Conditional注解的类,并根据条件动态启用或禁用自动配置。

(2)条件化配置(@Conditional)

条件化配置允许根据特定条件动态启用或禁用自动配置。例如,可以根据操作系统类型、JVM版本等条件动态启用或禁用自动配置。

(3)自定义Starter开发

自定义Starter可以帮助用户快速集成第三方库。自定义Starter需要创建一个包含自动配置类的jar包,并将其添加到项目的依赖中。

  1. 起步依赖

起步依赖是Spring Boot项目的基础依赖,包含Spring Boot核心库和其他常用库。起步依赖通过Maven或Gradle进行管理。

  1. 依赖管理机制(BOM文件)

BOM(Bill of Materials)文件用于统一管理项目依赖版本,解决版本冲突问题。BOM文件定义了项目依赖的版本信息,确保项目中的所有依赖都使用相同的版本。

  1. 第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式,如Maven插件、Gradle插件等。这些插件可以帮助用户快速集成第三方库,并自动配置相关依赖。

  1. Actuator

Actuator提供了一系列端点,用于监控和管理Spring Boot应用。

(1)健康检查端点

健康检查端点可以监控应用的健康状态。通过健康检查端点,可以了解应用的运行状态,如服务是否启动、数据库连接是否正常等。

(2)度量指标收集

度量指标收集可以收集应用性能数据。通过度量指标收集,可以了解应用的性能,如响应时间、吞吐量等。

(3)自定义Endpoint开发

自定义Endpoint可以扩展Actuator功能。自定义Endpoint可以收集和暴露自定义的度量指标、健康检查信息等。

  1. 配置文件管理

配置文件管理包括:

(1)多环境配置(application-{profile}.yml)

多环境配置允许为不同环境设置不同的配置参数。例如,可以为开发环境、测试环境和生产环境设置不同的配置参数。

(2)配置加载优先级

配置加载优先级决定了配置参数的优先级。例如,可以通过设置配置文件的优先级,确保配置参数的正确性。

(3)动态配置刷新

动态配置刷新允许实时更新配置参数。通过动态配置刷新,可以实时更新配置参数,而无需重新启动应用。

  1. 监控与日志

(1)Micrometer集成

Micrometer支持多种监控数据源,如Prometheus、Grafana等。通过Micrometer,可以将应用性能数据发送到监控平台,实现应用的监控。

(2)Logback/SLF4J配置

Logback和SLF4J是日志框架,用于记录应用日志。通过Logback和SLF4J,可以方便地配置日志级别、日志格式等。

  1. 分布式链路追踪

分布式链路追踪可以帮助用户追踪跨多个服务调用的请求。通过分布式链路追踪,可以了解请求的执行过程,定位问题。

  1. 扩展机制

Spring Boot提供多种扩展机制,如自定义 Starter、Actuator Endpoint等。通过扩展机制,可以扩展Spring Boot的功能,满足特定需求。

  1. 响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程,使用Reactor、Project Reactor等库实现。通过响应式编程,可以提高应用的性能和可扩展性。

总结

本文从JVM和Spring Boot两个方面,详细解析了相关核心知识体系。通过深入浅出的描述,帮助读者理解JVM和Spring Boot的工作原理,为实际项目开发提供指导。在实际应用中,可以根据项目需求,灵活运用这些知识,提高项目性能和可维护性。

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