JVM与Spring Boot深度解析

📕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。

🌾阅读前，快速浏览目录和章节概览可帮助了解文章结构、内容和作者的重点。了解自己希望从中获得什么样的知识或经验是非常重要的。建议在阅读时做笔记、思考问题、自我提问，以加深理解和吸收知识。阅读结束后，反思和总结所学内容，并尝试应用到现实中，有助于深化理解和应用知识。与朋友或同事分享所读内容，讨论细节并获得反馈，也有助于加深对知识的理解和吸收。💡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。

一、JVM知识体系

类加载机制

类加载机制是JVM的核心功能之一，它负责将Java类加载到JVM中，确保类在运行时可以被正确使用。类加载过程主要涉及以下几个阶段：

1. 加载（Loading）：在这一阶段，JVM会通过类加载器查找并加载类的二进制数据。这个过程包括：

   • 查找类的二进制数据：JVM首先在类路径（Classpath）中查找类定义，类路径可以是一个目录或JAR文件。
   • 加载类定义：JVM使用类加载器将类定义加载到内存中，生成一个Class对象。
   • 解析类信息：JVM解析类的符号引用，如字段、方法引用等，将其替换为直接引用。

2. 连接（Linking）：连接阶段主要完成以下任务：

   • 验证类信息：确保类的字节码符合JVM规范，没有安全问题和数据类型错误。
   • 准备类变量：为类变量分配内存，并设置默认初始值。
   • 解析符号引用：将类、字段、方法的符号引用解析为直接引用。

3. 初始化（Initialization）：初始化阶段是类加载过程的最后一个阶段，它负责执行类的初始化代码，如静态初始化块。

双亲委派模型

双亲委派模型是JVM中类加载器的一种层次结构，它规定类加载器在加载类时，首先委托给父类加载器进行加载，只有当父类加载器无法加载时，才由自己加载。这种模型有助于避免类的重复加载，确保类的一致性。

在双亲委派模型中，存在以下类加载器：

• 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：负责加载JVM核心类库，如rt.jar。
• 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：负责加载JVM扩展库。
• 应用程序类加载器（Application ClassLoader）：负责加载应用程序中的类。

自定义类加载器

在特定场景下，如实现热部署或隔离类加载，需要创建自定义类加载器。自定义类加载器需要实现ClassLoader接口，并重写findClass方法来查找类定义。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的模块化系统，它通过模块来组织代码，提高了代码的可维护性和可扩展性。模块化系统的主要特点包括：

• 模块定义：使用module-info.java文件来定义模块，包括模块的名称、依赖关系等。
• 模块版本：模块可以声明版本，以便于版本管理和兼容性。
• 模块间访问控制：模块之间通过开放、隐藏、提供等访问控制策略来控制访问权限。

内存模型

JVM的内存模型包括以下几个部分：

1. 运行时数据区：
   • 堆（Heap）：堆是JVM内存中最大的区域，用于存储所有类实例和数组的内存区域。堆内存的分配和回收由垃圾回收器管理。
   • 栈（Stack）：栈是线程私有的内存区域，用于存储局部变量和方法调用。栈内存的分配和回收是自动的。
   • 方法区（Method Area）：方法区是存储类信息、常量、静态变量等的内存区域。方法区是所有线程共享的。
   • PC寄存器：PC寄存器存储当前线程所执行的指令的内存地址。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在以下场景：

• 堆内存不足：如创建大量对象，导致堆内存不足。
• 方法区不足：如加载大量类，导致方法区内存不足。
• 栈内存不足：如方法调用深度过大，导致栈内存不足。

垃圾回收

垃圾回收是JVM自动回收不再使用的对象的过程。垃圾回收的关键知识点包括：

1. GC Roots可达性分析：从GC Roots开始，向上遍历可达的对象，不可达的对象将被回收。
2. 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。
3. 引用类型：包括强引用、软引用、弱引用和虚引用，它们在垃圾回收中的角色不同。
4. 垃圾回收算法：
   • 标记-清除（Mark-Sweep）：标记可达对象，清除不可达对象。
   • 复制（Copying）：将对象复制到另一块内存，清除原内存。
   • 整理（Compacting）：移动存活对象，清理内存碎片。

并发收集器

JVM提供了多种并发收集器，如CMS（Concurrent Mark Sweep）和G1（Garbage-First），它们旨在减少停顿时间。并发收集器的主要特点包括：

• 并发执行：在垃圾回收过程中，垃圾回收器与应用程序线程并发执行。
• 低停顿时间：通过减少停顿时间，提高应用程序的响应速度。

停顿时间控制策略

JVM提供了多种停顿时间控制策略，如G1的预测停顿时间控制。停顿时间控制策略的主要目标是通过优化垃圾回收算法和并发收集器，减少应用程序的停顿时间。

性能调优

性能调优包括JVM参数配置、内存泄漏诊断和JIT编译优化等。性能调优的主要目标是通过优化应用程序和JVM，提高应用程序的性能。

JIT编译优化

JIT编译器可以将字节码即时编译成本地机器码，从而提高程序性能。JIT编译优化的主要技术包括：

• 热点检测：JIT编译器会检测代码中的热点，即频繁执行的代码段。
• 即时编译：JIT编译器将热点代码编译成本地机器码。
• 优化：JIT编译器对编译后的代码进行优化，以提高程序性能。

二、Spring Boot知识体系

自动配置

Spring Boot通过自动配置功能，自动配置Spring应用。自动配置的核心是@EnableAutoConfiguration注解，它通过条件化配置，根据类路径下的jar包和配置文件，自动配置Spring应用。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration通过条件化配置，根据类路径下的jar包和配置文件，自动配置Spring应用。具体实现如下：

1. 条件化配置：Spring Boot使用条件化配置，根据类路径下的jar包和配置文件，确定是否启用某个配置。
2. 自动配置类：自动配置类负责实现具体的自动配置逻辑。
3. 条件化配置类：条件化配置类负责根据条件判断是否启用自动配置。

条件化配置（@Conditional）

条件化配置允许根据特定条件启用或禁用配置。条件化配置的主要实现方式如下：

1. 条件注解：条件注解用于标识一个配置是否满足特定条件。
2. 条件处理器：条件处理器根据条件注解的值，判断配置是否满足条件。

自定义Starter开发

自定义Starter可以帮助开发者将库或组件集成到Spring Boot项目中。自定义Starter的主要步骤如下：

1. 创建Starter项目：创建一个Maven项目，并添加Starter依赖。
2. 添加依赖：将库或组件的依赖添加到Starter项目中。
3. 编写自动配置类：编写自动配置类，实现自动配置逻辑。
4. 发布Starter：将Starter发布到Maven中央仓库。

起步依赖

起步依赖是Spring Boot项目的基础依赖，它包含了项目所需的所有依赖。起步依赖的主要特点如下：

• 自动依赖管理：起步依赖自动管理项目所需的依赖。
• 简化依赖冲突：起步依赖通过BOM文件和依赖管理策略，解决依赖版本冲突。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM（Bill of Materials）文件用于管理项目的所有依赖版本。BOM文件的主要作用如下：

• 统一依赖版本：BOM文件统一管理项目中的依赖版本，确保项目中的依赖版本一致。
• 简化依赖冲突解决：BOM文件通过依赖管理策略，简化依赖冲突解决。

版本冲突解决

通过BOM文件和依赖管理策略，可以解决依赖版本冲突。解决依赖版本冲突的主要方法如下：

1. BOM文件：使用BOM文件统一管理依赖版本。
2. 依赖管理策略：使用依赖管理策略，如排除、提供等，解决依赖版本冲突。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式，如SPI、Maven插件等。第三方库集成模式的主要特点如下：

• SPI：通过Service Provider Interface（SPI）机制，实现第三方库与Spring Boot的集成。
• Maven插件：通过Maven插件，实现第三方库与Spring Boot的集成。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了健康检查、度量指标收集和自定义端点等功能。Actuator的主要功能如下：

• 健康检查：健康检查端点用于检查Spring Boot应用的运行状态。
• 度量指标收集：度量指标收集可以用于监控应用性能。
• 自定义端点：可以通过实现Endpoint接口来开发自定义端点。

健康检查端点

健康检查端点用于检查Spring Boot应用的运行状态。健康检查端点的主要功能如下：

• 检查应用状态：健康检查端点可以检查应用是否运行正常，如数据库连接、网络连接等。
• 返回健康状态：健康检查端点返回应用的健康状态，如UP、DOWN等。

度量指标收集

度量指标收集可以用于监控应用性能。度量指标收集的主要功能如下：

• 收集性能数据：度量指标收集可以收集应用性能数据，如CPU使用率、内存使用率等。
• 监控应用性能：通过监控性能数据，可以及时发现和解决性能问题。

自定义Endpoint开发

可以通过实现Endpoint接口来开发自定义端点。自定义端点的主要功能如下：

• 扩展Actuator功能：自定义端点可以扩展Actuator功能，实现自定义监控和日志功能。
• 自定义数据格式：自定义端点可以自定义数据格式，如JSON、XML等。

配置文件管理

Spring Boot使用配置文件来管理应用配置，如application.yml。配置文件的主要特点如下：

• 支持多种格式：配置文件支持多种格式，如YAML、Properties等。
• 支持多环境配置：配置文件支持多环境配置，如开发环境、生产环境等。

多环境配置

Spring Boot支持多环境配置，如application-dev.yml和application-prod.yml。多环境配置的主要特点如下：

• 环境隔离：多环境配置可以实现环境隔离，如开发环境、测试环境、生产环境等。
• 配置优先级：多环境配置的配置优先级可以根据需要设置。

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。配置加载优先级的主要特点如下：

• 优先级设置：配置加载优先级可以通过配置文件或环境变量设置。
• 配置覆盖：优先级高的配置文件可以覆盖优先级低的配置文件。

动态配置刷新

Spring Boot支持动态配置刷新，即在不重启应用的情况下更新配置。动态配置刷新的主要特点如下：

• 实时更新配置：动态配置刷新可以实时更新配置，无需重启应用。
• 配置版本控制：动态配置刷新支持配置版本控制，确保配置的一致性。

监控与日志

Spring Boot集成了Micrometer和Logback/SLF4J等监控和日志框架。监控与日志的主要功能如下：

• 监控应用性能：监控应用性能，如CPU使用率、内存使用率等。
• 记录日志信息：记录应用运行过程中的日志信息，便于问题排查。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin和Jaeger。分布式链路追踪的主要功能如下：

• 追踪请求链路：追踪请求在分布式系统中的链路，如数据库操作、服务调用等。
• 分析性能瓶颈：分析性能瓶颈，优化系统性能。

扩展机制

Spring Boot提供了多种扩展机制，如自定义AutoConfigurationBean和生命周期扩展点。扩展机制的主要功能如下：

• 自定义AutoConfigurationBean：自定义AutoConfigurationBean可以扩展Spring Boot的自动配置功能。
• 生命周期扩展点：生命周期扩展点可以扩展Spring Boot的生命周期，如启动、关闭等。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，如Spring WebFlux。响应式编程的主要特点如下：

• 非阻塞I/O：响应式编程使用非阻塞I/O，提高应用程序的并发性能。
• 事件驱动：响应式编程使用事件驱动模型，提高应用程序的响应速度。

通过以上知识点的串联，我们可以更好地理解JVM和Spring Boot的工作原理，并在实际项目中应用这些知识，提高应用性能和开发效率。

📥博主的人生感悟和目标

希望各位读者大大多多支持用心写文章的博主，现在时代变了，信息爆炸，酒香也怕巷子深，博主真的需要大家的帮助才能在这片海洋中继续发光发热，所以，赶紧动动你的小手，点波关注❤️，点波赞👍，点波收藏⭐，甚至点波评论✍️，都是对博主最好的支持和鼓励！

- 💂 博客主页： Java程序员廖志伟
- 👉 开源项目： Java程序员廖志伟
- 🌥 哔哩哔哩： Java程序员廖志伟
- 🎏 个人社区： Java程序员廖志伟
- 🔖 个人微信号： SeniorRD

📙经过多年在优快云创作上千篇文章的经验积累，我已经拥有了不错的写作技巧。同时，我还与清华大学出版社签下了四本书籍的合约，并将陆续出版。这些书籍包括了基础篇、进阶篇、架构篇的📌《Java项目实战—深入理解大型互联网企业通用技术》📌，以及📚《解密程序员的思维密码--沟通、演讲、思考的实践》📚。具体出版计划会根据实际情况进行调整，希望各位读者朋友能够多多支持！

🔔如果您需要转载或者搬运这篇文章的话，非常欢迎您私信我哦~