JVM与Spring Boot详解

📕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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JVM知识体系详解

一、JVM概述

Java虚拟机（JVM）是Java程序运行的环境，它负责将Java字节码转换为机器码，实现跨平台的运行。JVM的设计理念是基于Java程序代码的“一次编写，到处运行”。JVM的核心组件包括类加载器、运行时数据区、执行引擎和本地库接口。

二、类加载机制

类加载机制是JVM的一个重要环节，它负责将类定义从文件系统或网络中加载到JVM中，并为之创建相应的运行时数据结构。

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：查找并加载类的定义信息，包括类的二进制数据。在加载过程中，JVM会通过类加载器读取类文件，将字节码存储在方法区中，并创建一个代表该类的java.lang.Class对象。

• 连接：验证类信息，准备类在运行时所需的数据结构，并解析符号引用。连接过程分为验证、准备和解析三个步骤。验证确保类文件的字节码是有效的，没有安全风险；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。

• 初始化：执行类的初始化代码，包括静态变量的赋值和静态代码块的执行。初始化过程是执行类构造器 ()方法的过程，它负责初始化类变量和静态变量，执行静态代码块等。

2. 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，它首先委派给父类加载器进行加载，只有当父类加载器无法完成加载任务时，才自己去加载。这种模型确保了类型安全，避免了类加载过程中的冲突。

3. 自定义类加载器

自定义类加载器允许开发者对类加载过程进行扩展，实现特定的类加载逻辑。例如，可以创建一个自定义类加载器，从特定的文件系统或网络路径加载类，或者对加载的类进行特殊处理。

4. 模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一个模块化系统，它允许将Java应用程序分解为多个模块，提高系统的可维护性和性能。模块化系统将类和资源组织成模块，每个模块都包含自己的类路径和资源路径，从而减少了类冲突和依赖问题。

三、内存模型及运行时数据区

JVM的内存模型包括堆、栈、方法区和PC寄存器。

1. 堆

堆是所有线程共享的内存区域，用于存放几乎所有的对象实例。堆由垃圾回收器管理，分为新生代和老年代。新生代用于存放新生对象，老年代用于存放长期存活的对象。

2. 栈

栈是线程私有的内存区域，用于存放局部变量和方法调用的参数。栈的内存分配是线程安全的，每个线程都有自己的栈空间。

3. 方法区

方法区是存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据。方法区是所有线程共享的，它存储的信息对于整个JVM进程都是可见的。

4. PC寄存器

PC寄存器用于存放当前线程所执行的指令的地址。每个线程都有自己的PC寄存器，用于控制线程的指令执行顺序。

四、内存溢出场景分析

内存溢出是指程序在运行过程中，由于内存需求超过可用内存而导致的异常。常见的内存溢出场景包括：

• 创建大量对象：当程序创建大量对象时，可能会导致堆空间不足，引发内存溢出。
• 循环引用：循环引用是指对象之间相互引用，导致垃圾回收器无法回收这些对象。
• 动态数组或集合的无限增长：当动态数组或集合的容量无法满足需求时，会不断扩展其容量，导致内存占用不断增加。

五、垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动回收不再使用的对象所占用的内存空间。

1. GC Roots可达性分析

GC Roots是指那些直接或间接指向对象引用的根节点，GC通过分析这些根节点来找出所有可达对象。如果一个对象不是GC Roots可达的，那么它所占据的内存空间可以被回收。

2. 分代收集理论

分代收集理论将对象分为新生代（Young）和老年代（Old），分别采用不同的回收策略。新生代用于存放短期存活的对象，采用复制算法进行垃圾回收；老年代用于存放长期存活的对象，采用标记-清除或标记-整理算法进行垃圾回收。

3. 引用类型

引用类型包括强引用、软引用、弱引用和虚引用。强引用是指对象之间存在直接的引用关系；软引用是指对象可以被垃圾回收器回收，但回收前会先进行内存检查；弱引用是指对象可以被垃圾回收器随时回收；虚引用是指对象处于垃圾回收器的最外围，没有任何引用关系，回收时才会被回收。

4. 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。标记-清除算法通过标记所有可达对象，然后清除未被标记的对象；复制算法将对象在堆内存中分为两个区域，每次只使用一个区域，当该区域空间不足时，将对象复制到另一个区域；整理算法在标记-清除算法的基础上，将未被标记的对象移动到堆内存的一端，回收未被标记的对象所占用的空间。

5. 并发收集器

并发收集器如CMS（Concurrent Mark Sweep）和G1（Garbage-First）可以在应用程序运行时进行垃圾回收，减少停顿时间。并发收集器在垃圾回收过程中，与应用程序并发执行，降低应用程序的停顿时间。

6. 停顿时间控制策略

停顿时间控制策略旨在控制垃圾回收过程中应用程序的停顿时间，如最大停顿时间目标。通过调整垃圾回收算法和参数，可以控制应用程序的停顿时间，提高用户体验。

六、性能调优与JVM参数配置

性能调优包括内存、垃圾回收和JIT编译优化等方面。

1. JVM参数配置

JVM参数配置可以通过启动参数（如-Xms、-Xmx）和系统属性（如-Djava.vm.options）进行。启动参数用于控制JVM的运行时行为，例如堆空间大小、栈空间大小等；系统属性用于控制JVM的内部行为，例如垃圾回收算法、JIT编译优化等。

2. 内存泄漏诊断

内存泄漏是指程序中已经无法访问的对象所占用的内存无法被垃圾回收器回收。内存泄漏会导致程序内存占用不断增加，最终引发内存溢出。内存泄漏诊断可以使用工具如VisualVM、MAT（Memory Analyzer Tool）等进行分析和修复。

3. JIT编译优化

JIT编译器是JVM的一个组成部分，它负责将字节码编译成本地机器码，提高程序运行效率。JIT编译优化包括循环优化、内联优化、方法内联优化等。通过调整JVM参数，可以控制JIT编译优化的程度。

Spring Boot知识体系详解

一、Spring Boot概述

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。Spring Boot通过自动配置、模块化等机制，帮助开发者快速构建和部署Java应用程序。

二、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框架和相关库。

1. @EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解通过扫描类路径下的jar包和类，根据类路径、Bean定义和其它属性自动配置Spring应用程序。它通过类路径扫描、条件化配置、属性绑定等技术实现自动配置。

2. 条件化配置（@Conditional）

条件化配置允许开发者根据特定条件启用或禁用某些配置。例如，可以使用@ConditionalOnClass注解指定只有当存在某个类时，才启用相应的配置。

3. 自定义Starter开发

自定义Starter可以帮助开发者将代码库作为依赖项添加到Spring Boot项目中。自定义Starter通常包含一组依赖项和配置，用于简化项目搭建和配置过程。

三、起步依赖与依赖管理机制

起步依赖是Spring Boot提供的依赖管理机制，它简化了依赖项的添加和版本控制。

1. 起步依赖

起步依赖是包含了一组依赖项的Maven或Gradle坐标，用于简化依赖项的添加。例如，spring-boot-starter-web起步依赖包含了Spring MVC、Spring WebFlux、Tomcat等库。

2. 依赖管理机制

依赖管理机制包括Maven的pom.xml和Gradle的build.gradle文件，用于定义和管理项目依赖。在pom.xml中，可以使用 标签添加依赖项；在build.gradle文件中，可以使用dependencies{}块添加依赖项。

3. 版本冲突解决

版本冲突是指依赖项之间的版本不兼容问题，可以通过依赖项排除、版本升级或使用兼容版本来解决。例如，可以使用 标签在pom.xml中指定依赖项的版本，或者使用 Gradle 的conflicts{}块解决版本冲突。

四、第三方库集成

Spring Boot支持与第三方库的集成，例如数据库连接池、缓存框架等。通过添加相应的起步依赖，Spring Boot可以自动配置和集成第三方库。

五、Actuator与健康检查

Actuator是Spring Boot的一个模块，它提供了应用程序的运行时指标和监控功能。

1. 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。例如，可以使用@HealthIndicator注解定义健康检查逻辑，然后通过/actuator/health端点获取应用程序的健康信息。

2. 度量指标收集

度量指标收集用于收集应用程序的性能数据。Spring Boot支持多种度量指标收集器，例如Micrometer、Dropwizard Metrics等。

3. 自定义Endpoint开发

自定义Endpoint允许开发者扩展Actuator的功能。例如，可以创建一个自定义Endpoint，提供应用程序特定的运行时指标和监控数据。

六、配置文件管理

Spring Boot使用配置文件来管理应用程序的配置，包括多环境配置。

1. 配置文件

Spring Boot使用application.properties和application.yml作为配置文件。application.properties文件以键值对的形式存储配置信息，而application.yml文件使用YAML格式存储配置信息。

2. 多环境配置

多环境配置允许开发者为不同的环境（如开发、测试、生产）定义不同的配置。可以通过配置文件命名约定区分不同环境的配置文件，例如application-dev.properties、application-test.properties等。

3. 配置加载优先级

配置加载优先级决定了配置文件的加载顺序。例如，可以通过设置application-dev.properties文件为默认配置文件，并设置application.properties文件的优先级低于application-dev.properties文件。

4. 动态配置刷新

动态配置刷新允许开发者实时更新配置而无需重启应用程序。Spring Boot支持通过JMX、REST API等方式实现动态配置刷新。

七、监控与日志

Spring Boot提供了监控和日志功能，包括Micrometer集成、Logback/SLF4J配置等。

1. Micrometer集成

Micrometer是Spring Boot提供的度量指标收集器，它支持多种度量指标收集器，例如Prometheus、Graphite、InfluxDB等。

2. Logback/SLF4J配置

Spring Boot默认使用Logback作为日志框架，同时支持SLF4J作为日志抽象层。通过配置logback-spring.xml文件，可以自定义日志级别、日志格式、日志文件等。

八、分布式链路追踪与扩展机制

Spring Boot支持分布式链路追踪和扩展机制，例如Zipkin和Skywalking。

1. Zipkin

Zipkin是一个开源的分布式追踪系统，它可以追踪分布式系统中不同服务之间的调用关系。Spring Boot通过集成Zipkin，可以实现分布式链路追踪功能。

2. Skywalking

Skywalking是一个开源的分布式追踪系统和APM（Application Performance Management）工具。Spring Boot通过集成Skywalking，可以实现分布式链路追踪和APM功能。

九、自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点

自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点允许开发者扩展Spring Boot的自动配置功能。例如，可以通过实现BeanPostProcessor接口，在Bean创建和销毁过程中添加自定义逻辑。

十、响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，通过Spring WebFlux等模块实现。响应式编程可以帮助开发者构建异步、非阻塞的程序，提高应用程序的性能和可伸缩性。

通过以上对JVM和Spring Boot知识体系的详细描述，我们可以看到这两个技术是如何相互关联和影响的。JVM作为Java程序运行的基础环境，为Spring Boot提供了运行时支持和性能优化。而Spring Boot则通过自动配置、模块化等机制，简化了Java应用的开发过程。在实际应用中，开发者需要根据具体需求选择合适的JVM参数和Spring Boot配置，以达到最佳的性能和开发效率。

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