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）、《解密程序员的思维密码——沟通、演讲、思考的实践》作者、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。

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💡在这个美好的时刻，笔者不再啰嗦废话，现在毫不拖延地进入文章所要讨论的主题。接下来，我将为大家呈现正文内容。

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一、JVM知识体系

JVM（Java虚拟机）是Java语言运行时的核心，它负责将Java代码编译成字节码，并在运行时管理内存、执行字节码以及提供丰富的API供Java应用使用。以下是JVM知识体系中的关键知识点：

类加载机制

类加载机制是JVM的核心功能之一，它负责将Java类文件加载到JVM中。类加载过程主要包括以下几个阶段：

1. 加载（Loading）：这个阶段负责找到并加载指定名称的类或接口的.class文件。具体实现细节包括：

   • 使用类加载器（ClassLoader）来查找类文件，类加载器可以是启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）、扩展类加载器（Extension ClassLoader）或应用程序类加载器（Application ClassLoader）。
   • 加载过程会读取类文件的内容，并将其存储在内存中。

2. 连接（Linking）：这个阶段负责验证类文件信息，准备类在JVM中的运行环境。具体实现细节包括：

   • 验证类文件的字节码，确保其结构正确。
   • 解析类文件中的符号引用，将其替换为直接引用。
   • 为类变量分配内存，并设置默认值。

3. 初始化（Initialization）：这个阶段负责执行类构造器（ ()），初始化类变量。具体实现细节包括：

   • 执行类文件中的静态代码块。
   • 设置类变量的初始值。

双亲委派模型

双亲委派模型是JVM类加载机制的核心，它要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。当一个类加载器请求加载一个类时，它首先将请求委派给父类加载器，只有当父类加载器无法完成这个请求时，子类加载器才会尝试自己去加载。这种模型的实现细节包括：

• 子类加载器在尝试加载类之前，会先检查其父类加载器是否已经加载了这个类。
• 如果父类加载器已经加载了这个类，则直接使用父类加载器加载的类。
• 如果父类加载器没有加载这个类，则子类加载器会尝试加载这个类。

自定义类加载器

自定义类加载器允许开发者控制类的加载过程，实现特定的类加载逻辑，如实现模块化系统。自定义类加载器的实现细节包括：

• 继承ClassLoader类或实现ClassLoading接口。
• 重写findClass方法，以自定义类文件的查找逻辑。
• 在需要的时候，可以实现resolveClass方法，以自定义类的解析逻辑。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的模块化系统，它允许开发者将应用程序分解成多个模块，提高系统的可维护性和性能。JPMS的实现细节包括：

• 使用module-info.java文件来定义模块的依赖关系。
• 使用模块路径来指定模块的位置。
• 使用模块描述符来定义模块的版本信息。

内存模型

JVM的内存模型包括以下几个运行时数据区：

1. 堆（Heap）：存储所有类实例和数组的内存区域。堆内存的管理涉及到垃圾回收（GC）机制，GC机制包括：

   • 根搜索算法：从GC Roots开始，向上遍历，标记可达的对象。
   • 分代收集理论：将堆内存分为年轻代（Young）和老年代（Old），分别采用不同的回收策略。
   • 引用类型：Java中的引用类型包括强引用、软引用、弱引用和虚引用，它们在GC过程中的作用不同。

2. 栈（Stack）：存储线程的局部变量和方法调用的内存区域。栈内存的管理是自动的，当线程结束时，栈内存会自动释放。

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。方法区内存的管理是静态的，当类被加载时，方法区的内容就被确定。

4. PC寄存器：用于存储当前线程所执行的指令的地址。PC寄存器的管理是自动的，当线程执行指令时，PC寄存器会自动更新。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在堆空间不足时，常见场景包括：

• 创建大量对象：例如，在循环中创建大量小对象，这些对象最终会占用大量堆空间。
• 循环引用：当两个对象相互引用对方时，它们都不会被垃圾回收器回收。
• 内存泄漏：当对象被创建后，无法被垃圾回收器回收，因为它们还保持着对其他对象的引用。

垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动回收不再使用的对象占用的内存。GC过程包括以下几个步骤：

• GC Roots可达性分析：从GC Roots开始，向上遍历，标记可达的对象。
• 分代收集理论：将堆内存分为年轻代（Young）和老年代（Old），分别采用不同的回收策略。
• 引用类型：Java中的引用类型包括强引用、软引用、弱引用和虚引用，它们在GC过程中的作用不同。
• 垃圾回收算法：常见的垃圾回收算法包括标记-清除、复制和整理算法。
• 并发收集器：如CMS（Concurrent Mark Sweep）和G1（Garbage-First），它们旨在减少停顿时间。
• 停顿时间控制策略：如G1的预测停顿时间目标。

性能调优

JVM性能调优包括：

• JVM参数配置：如-Xms、-Xmx等，用于控制堆内存大小。
• 内存泄漏诊断：使用工具如VisualVM或JProfiler进行诊断。
• JIT编译优化：JVM在运行时对热点代码进行编译优化，提高执行效率。

二、Spring Boot知识体系

Spring Boot是Spring框架的一个模块，它简化了Spring应用的创建和配置过程。以下是Spring Boot知识体系中的关键知识点：

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应用程序。其核心原理是：

• @EnableAutoConfiguration：通过该注解启用自动配置。
• 条件化配置（@Conditional）：根据特定条件决定是否应用配置。

自定义Starter开发

自定义Starter可以简化依赖管理，提高项目的可重用性。自定义Starter的开发细节包括：

• 创建一个Maven或Gradle项目，并定义Starter的依赖关系。
• 编写一个自动配置类，该类包含对Spring应用程序的自动配置逻辑。
• 将自动配置类打包到Starter中。

起步依赖

起步依赖（Starters）是Spring Boot提供的依赖管理机制，它将一组相关的库打包在一起。起步依赖的实现细节包括：

• 使用Maven或Gradle的依赖管理机制，将相关的库添加到项目的依赖列表中。
• 使用Spring Boot的依赖管理工具，自动处理依赖之间的版本兼容性问题。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM（Bill of Materials）文件用于定义项目依赖的版本，确保项目中的所有依赖版本一致。BOM文件的实施细节包括：

• 创建一个BOM文件，其中包含项目依赖的版本信息。
• 在项目的pom.xml或build.gradle文件中引用BOM文件。

版本冲突解决

解决版本冲突的方法包括：

• 使用依赖管理工具（如Maven或Gradle）的依赖解析功能。
• 手动指定依赖版本。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式，如：

• 使用Spring Data JPA集成数据库：通过定义实体类和Repository接口，Spring Data JPA可以自动生成数据访问代码。
• 使用Spring Security集成安全框架：通过配置Spring Security，可以实现对应用程序的安全保护。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了一系列端点，用于监控和管理Spring Boot应用程序。Actuator的实现细节包括：

• 提供了多种端点，如/health、/metrics、/info等，用于获取应用程序的健康状态、度量指标和配置信息。
• 可以通过HTTP请求或JMX协议来访问这些端点。

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。健康检查端点的实现细节包括：

• 定义一个健康检查组件，该组件负责检查应用程序的健康状态。
• 在Spring Boot应用程序启动时，自动配置健康检查端点。

度量指标收集

Spring Boot Actuator可以收集应用程序的度量指标，如内存使用情况、线程信息等。度量指标收集的实现细节包括：

• 使用Micrometer库来收集度量指标。
• 将收集到的度量指标发送到监控系统，如Prometheus或Grafana。

自定义Endpoint开发

开发者可以自定义Endpoint，以提供额外的监控和管理功能。自定义Endpoint的开发细节包括：

• 继承Endpoint接口，并实现其doInvoke方法。
• 在Spring Boot应用程序中注册自定义Endpoint。

配置文件管理

Spring Boot使用配置文件来管理应用程序的配置，支持多环境配置。配置文件管理的实现细节包括：

• 使用application.properties或application.yml文件来定义应用程序的配置。
• 通过配置文件名后缀（如application-dev.yml、application-prod.yml）来加载不同环境的配置。

多环境配置（application-{profile}.yml）

通过配置文件名后缀（如application-dev.yml、application-prod.yml），Spring Boot可以加载不同环境的配置。多环境配置的实现细节包括：

• 在配置文件中定义不同环境的配置信息。
• 通过设置Spring Boot的环境变量或命令行参数来指定当前环境。

配置加载优先级

Spring Boot按照以下优先级加载配置：

1. 命令行参数
2. Java系统属性
3. 配置文件

动态配置刷新

Spring Boot支持动态刷新配置，无需重启应用程序。动态配置刷新的实现细节包括：

• 使用Spring Cloud Config或Spring Cloud Bus来实现配置的动态刷新。
• 在应用程序中注册配置监听器，当配置发生变化时，自动刷新应用程序的配置。

监控与日志

Spring Boot集成Micrometer进行监控，并支持Logback/SLF4J进行日志配置。监控与日志的实现细节包括：

• 使用Micrometer库来收集应用程序的监控数据。
• 使用Logback或SLF4J来配置应用程序的日志。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin和Jaeger。分布式链路追踪的实现细节包括：

• 使用Zipkin或Jaeger等链路追踪工具来收集应用程序的链路信息。
• 在应用程序中集成链路追踪库，并将链路信息发送到链路追踪服务。

扩展机制

Spring Boot提供多种扩展机制，如：

• 自定义AutoConfigurationBean：通过实现AutoConfigurationImportSelector接口，可以自定义自动配置的Bean。
• 生命周期扩展点：通过实现ApplicationListener接口，可以监听Spring Boot应用程序的生命周期事件。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，如Spring WebFlux。响应式编程的实现细节包括：

• 使用Reactor库来实现响应式编程。
• 使用WebFlux框架来构建响应式Web应用程序。

通过以上知识点的串联，我们可以深入理解JVM和Spring Boot的工作原理，并在实际项目中灵活运用这些知识，提高开发效率和系统性能。

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