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。

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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。

2. 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。

3. 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。

4. 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。

5. 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。

6. 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。

7. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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。

5. 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。

6. 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。

7. 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。

8. 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。

9. 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。

10. 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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