JVM与Spring Boot核心解析

最新推荐文章于 2025-09-26 13:01:09 发布

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📕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。

📘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

💡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

类加载机制

在Java虚拟机（JVM）中，类加载机制是保证Java程序能够正确运行的核心环节。它涉及从读取类文件到生成Class对象的全过程，其具体实现细节如下：

加载（Loading）：这个过程涉及到类加载器（ClassLoader）的角色。JVM默认提供了三个类加载器：Bootstrap ClassLoader、Extension ClassLoader和System ClassLoader。Bootstrap ClassLoader负责加载核心库，如rt.jar；Extension ClassLoader负责加载扩展库；System ClassLoader负责加载应用程序的类路径（Classpath）中的类。类加载器通过读取类文件（.class文件），并使用类加载器的方法将字节码转换为方法区的运行时数据结构，从而创建一个Class对象。
连接（Linking）：连接过程主要确保类在运行时能够正确使用。它包括三个子阶段：
- 验证：这一阶段主要确保类文件中的信息符合JVM规范，例如类文件的版本、常量池的索引是否有效等。
- 准备：为类变量分配内存并设置默认值。对于基本数据类型，默认值是0、false或null；对于对象类型的类变量，默认值是null。
- 解析：将类文件中的符号引用（如字段、方法、接口类型等）转换为直接引用。
初始化（Initialization）：初始化阶段是类加载的最后一步，它会执行类定义中的静态初始化器（static块）。

双亲委派模型

双亲委派模型（Parent Delegation Model）是JVM类加载机制中的一个重要特性，它定义了类加载器的层次结构。在这种模型中，子类加载器首先请求其父类加载器来加载类，只有当父类加载器无法完成加载时，子类加载器才会尝试自己去加载。这种设计可以避免类的重复加载，同时保证了类型安全。

自定义类加载器

Java允许开发者自定义类加载器，以实现特定的加载逻辑。自定义类加载器需要继承java.lang.ClassLoader类或实现java.lang.ClassLoader接口，并重写findClass方法。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的模块化系统，它将JVM的类加载器体系进一步扩展，引入了模块的概念。模块是Java程序的基本组成单位，它将类、接口、资源打包在一起，并通过模块描述符（module-info.java）定义模块的依赖关系。

内存模型

JVM的内存模型包括以下几个区域：

堆（Heap）：这是Java对象的主要存储区域，所有由new关键字创建的对象都存储在堆上。
栈（Stack）：每个线程都有自己的栈，用于存储局部变量、操作数栈和方法调用等信息。
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，它是所有线程共享的。
PC寄存器：每个线程都有自己的PC寄存器，用于指示当前线程所执行的指令。

内存溢出场景分析

内存溢出是指JVM请求的内存超过操作系统分配给JVM的最大内存。常见的内存溢出场景包括：

创建对象过多：当创建的对象数量超过堆内存容量时，JVM会抛出java.lang.OutOfMemoryError异常。
循环引用：当对象之间相互引用，形成循环时，即使对象不再使用，垃圾回收器也无法回收它们。

垃圾回收

垃圾回收（Garbage Collection，GC）是JVM自动回收不再使用的内存空间的过程。垃圾回收的主要实现细节如下：

GC Roots可达性分析

GC Roots是指从根开始能够访问到的所有对象，这些对象被认为是存活对象。垃圾回收器通过遍历GC Roots，找到所有可达对象，并将其标记为存活对象。

分代收集理论

JVM将堆内存分为新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation），分别用于存储不同生命周期的对象。新生代使用复制算法，老年代使用标记-清除或标记-整理算法。

引用类型

Java中有四种引用类型：

强引用（Strong Reference）：默认的引用类型，只要强引用存在，对象就不会被垃圾回收。
软引用（Soft Reference）：用于缓存对象，当内存不足时，软引用对象可能会被垃圾回收。
弱引用（Weak Reference）：弱引用对象会被垃圾回收器尽快回收。
虚引用（Phantom Reference）：虚引用对象主要用于跟踪对象是否被回收。

垃圾回收算法

JVM常用的垃圾回收算法包括：

标记-清除（Mark-Sweep）：先标记所有存活对象，然后清除未被标记的对象。
复制（Copying）：将内存分为两块，每次只使用其中一块，当一块使用完毕后，将存活对象复制到另一块，然后清除原块。
标记-整理（Mark-Compact）：类似于标记-清除，但在清除未被标记的对象后，将存活对象压缩到内存的一端。

并发收集器

JVM提供了多种并发收集器，如：

CMS（Concurrent Mark Sweep）：一种以减少停顿时间为目标的收集器。
G1（Garbage-First）：一种以停顿时间预测为目标的收集器。
ZGC（Z Garbage Collector）：一种以降低停顿时间为目标的收集器。

停顿时间控制策略

JVM提供了多种停顿时间控制策略，如：

自适应策略：根据系统运行情况动态调整垃圾回收策略。
预测策略：根据历史数据预测垃圾回收所需时间。

性能调优

JVM的性能调优主要涉及以下几个方面：

JVM参数配置：通过配置JVM参数来优化性能，如设置堆内存大小、垃圾回收策略等。
内存泄漏诊断：使用工具诊断内存泄漏问题。
JIT编译优化：JIT编译器可以将字节码即时编译成本地代码，提高程序的运行效率。

二、Spring Boot知识体系

自动配置

Spring Boot的自动配置功能允许框架根据添加的jar依赖自动配置Bean。@EnableAutoConfiguration注解是开启自动配置的关键。Spring Boot通过读取启动类中注解的@SpringBootApplication，查找所有@Configuration类，然后通过@Bean注解生成的Bean来分析所需配置。

@EnableAutoConfiguration原理

Spring Boot通过读取启动类中注解的@SpringBootApplication，查找所有@Configuration类，然后通过@Bean注解生成的Bean来分析所需配置。Spring Boot使用一个内部的数据结构SpringFactoriesLoader来加载所有实现org.springframework.boot.autoconfigure.EnableAutoConfiguration接口的类，并根据这些类提供的配置信息自动配置Bean。

条件化配置（@Conditional）

@Conditional注解允许基于特定的条件来决定是否配置某个Bean。例如，@ConditionalOnClass注解会检查指定的类是否存在于类路径中，如果存在，则配置对应的Bean。

自定义Starter开发

自定义Starter可以帮助开发者快速集成第三方库。开发自定义Starter需要创建一个包含所需依赖的jar包，并在其中添加META-INF/spring.factories文件，该文件中包含实现org.springframework.boot.autoconfigure.AutoConfigurePackage接口的类。

起步依赖

起步依赖是一种简化的依赖管理方式，它将所有必要的依赖都打包在一个jar文件中。开发者只需要添加起步依赖，Spring Boot会自动配置相应的Bean。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM（Bill of Materials）文件用于统一项目中的依赖版本，避免版本冲突。BOM文件定义了所有依赖的版本，并确保这些版本在项目中保持一致。

版本冲突解决

解决版本冲突的方法包括：

使用更高版本的依赖。
使用范围限定符（如<version>2.0.0.RELEASE</version>）来指定依赖的版本范围。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式，如：

Starter：将第三方库的依赖和配置打包在一起，方便开发者使用。
自定义配置：开发者可以自定义配置类，以适应特定的需求。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了一系列端点，用于监控和管理应用程序。这些端点包括：

健康检查端点：可以检查应用程序是否处于健康状态。
度量指标收集：可以收集应用程序的性能指标。
自定义Endpoint开发：开发者可以自定义Endpoint来扩展Actuator的功能。

配置文件管理

Spring Boot支持多环境配置，如application-{profile}.yml。配置文件的加载优先级按照配置文件名和profile进行排序。

动态配置刷新

动态配置刷新允许实时更新配置文件。当配置文件被修改后，Spring Boot会自动重新加载配置。

监控与日志

Spring Boot提供了多种监控和日志解决方案，如：

Micrometer：用于收集应用程序的性能指标。
Logback/SLF4J：用于记录应用程序的日志。

分布式链路追踪

分布式链路追踪可以帮助开发者了解分布式系统中的请求路径。Spring Boot集成了Zipkin和Jaeger等分布式链路追踪工具。

扩展机制

Spring Boot提供了多种扩展机制，如：

自定义AutoConfiguration：开发者可以自定义AutoConfiguration来扩展Spring Boot的功能。
Bean生命周期扩展点：Spring Boot提供了多个扩展点，允许开发者自定义Bean的生命周期。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，允许开发者使用异步方式处理请求。Spring Boot集成了Reactor和Project Reactor等响应式编程库。

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Java程序员廖志伟

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