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。

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一、JVM知识体系

类加载机制

类加载机制是JVM的核心机制之一，它负责将类加载到JVM中，确保Java程序能够正常运行。类加载过程大致可以分为以下几个阶段：

1. 加载（Loading）：此阶段负责将类信息加载到JVM中。具体操作包括：

   • 通过类加载器读取.class文件；
   • 创建一个Class对象，用于封装类信息；
   • 为类分配内存空间，包括类元数据、静态变量等。

2. 验证（Verification）：此阶段确保加载的类文件符合JVM规范，避免安全风险。验证过程包括：

   • 字节码验证：检查类文件中的字节码指令是否合法；
   • 符号引用验证：确保符号引用指向的类、接口、字段和方法的正确性。

3. 准备（Preparation）：此阶段为类变量分配内存，并设置默认初始值。对于基本数据类型，初始值为0、false或null；对于引用类型，初始值为null。

4. 解析（Resolution）：此阶段将符号引用替换为直接引用，包括：

   • 字段解析：将符号引用的字段名称和类型解析为直接引用的字段；
   • 方法解析：将符号引用的方法名称和描述符解析为直接引用的方法。

5. 初始化（Initialization）：此阶段执行类构造器（<clinit>()）中的代码，包括：

   • 初始化静态变量；
   • 执行静态代码块；
   • 初始化父类。

双亲委派模型

双亲委派模型是一种类加载策略，要求类加载器首先请求其父类加载器加载类，只有当父类加载器无法完成加载时，才自己去加载。这种模型确保了类加载的统一性和安全性。

双亲委派模型中，类加载器分为以下几类：

• 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：负责加载<JAVA_HOME>/lib目录下的核心类库，如rt.jar。
• 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：负责加载<JAVA_HOME>/lib/ext目录下的扩展类库。
• 应用类加载器（Application ClassLoader）：负责加载用户自定义的类库。

自定义类加载器

自定义类加载器可以实现对特定类的加载，如扩展类、插件类等。自定义类加载器需要继承ClassLoader类，并重写findClass方法。

在自定义类加载器中，可以采用以下策略加载类：

• 文件系统加载：从文件系统读取.class文件，并转换为字节码。
• 网络加载：从网络下载.class文件，并转换为字节码。
• 数据库加载：从数据库中查询类信息，并转换为字节码。

模块化系统（JPMS）

JPMS（Java Platform Module System）是Java 9引入的一种模块化系统，它将Java应用分解为多个模块，以提高性能和安全性。

在JPMS中，模块的定义如下：

• 模块描述符：描述模块的依赖关系、导出包、使用包等信息。
• 模块路径：指定模块的目录或JAR文件。

JPMS的主要优势包括：

• 降低类路径长度：减少类路径长度，提高性能。
• 提高安全性：模块之间的访问控制更加严格。
• 减少版本冲突：模块可以独立升级，减少版本冲突。

内存模型

JVM的内存模型包括以下几个区域：

1. 堆（Heap）：存储Java对象实例和数组，是JVM内存中最大的区域。堆内存由垃圾回收器管理，分为年轻代和老年代。

2. 栈（Stack）：存储线程的局部变量，如方法参数、局部变量等。栈内存是线程私有的，每个线程都有自己的栈。

3. 方法区（Method Area）：存储类信息、常量、静态变量等。方法区是所有线程共享的。

4. PC寄存器：用于存储当前线程执行的指令地址。PC寄存器是线程私有的。

内存溢出场景分析

内存溢出是指JVM的内存不足以满足程序运行的需求。常见内存溢出场景包括：

• 创建大量对象：如循环创建对象、递归调用等。
• 循环引用：如两个对象相互引用，导致垃圾回收器无法回收。
• 静态变量占用过多内存：如静态集合类、静态缓存等。
• 内存泄漏：如未释放的数据库连接、文件句柄等。

垃圾回收

垃圾回收是JVM自动回收不再使用的内存空间。垃圾回收算法包括：

• 标记-清除（Mark-Sweep）：先标记所有可达对象，然后清除未被标记的对象。

  • 优点：实现简单。
  • 缺点：会产生内存碎片。

• 复制（Copying）：将内存分为两半，每次只使用一半，当一半空间用完时，将存活对象复制到另一半空间，并清空旧空间。

  • 优点：减少内存碎片，回收速度快。
  • 缺点：内存利用率低。

• 标记-整理（Mark-Compact）：结合标记-清除和复制算法，将存活对象整理到内存的一端，然后清理另一端。

  • 优点：减少内存碎片，回收速度快。
  • 缺点：实现复杂。

分代收集理论

分代收集理论将内存分为年轻代（Young）和老年代（Old），并针对不同代使用不同的回收算法。

• 年轻代：使用复制算法，回收速度快。
• 老年代：使用标记-清除或标记-整理算法，回收速度较慢。

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：最常用的引用类型，当对象有强引用时，垃圾回收器不会回收该对象。
• 软引用：用于缓存，当内存不足时，垃圾回收器会回收软引用指向的对象。
• 弱引用：与软引用类似，但比软引用优先级更高。
• 虚引用：没有任何实际意义，只能通过Reference类访问。

垃圾回收算法

垃圾回收算法包括：

• 标记-清除（Mark-Sweep）：先标记所有可达对象，然后清除未被标记的对象。

  • 优点：实现简单。
  • 缺点：会产生内存碎片。

• 复制（Copying）：将内存分为两半，每次只使用一半，当一半空间用完时，将存活对象复制到另一半空间，并清空旧空间。

  • 优点：减少内存碎片，回收速度快。
  • 缺点：内存利用率低。

• 标记-整理（Mark-Compact）：结合标记-清除和复制算法，将存活对象整理到内存的一端，然后清理另一端。

  • 优点：减少内存碎片，回收速度快。
  • 缺点：实现复杂。

并发收集器

并发收集器可以在应用程序运行时进行垃圾回收，以减少停顿时间。常见的并发收集器包括：

• CMS（Concurrent Mark Sweep）：以最短停顿时间为目标的收集器。

  • 优点：停顿时间短。
  • 缺点：内存回收效率低。

• G1（Garbage-First）：将堆内存分为多个区域，优先回收垃圾产生多的区域。

  • 优点：停顿时间可控，内存回收效率较高。
  • 缺点：实现复杂。

• ZGC（Z Garbage Collector）：以低延迟为目标的收集器。

  • 优点：停顿时间极低。
  • 缺点：实现复杂。

停顿时间控制策略

停顿时间控制策略包括：

• 自适应大小（Adaptive Size）：根据应用程序的运行情况自动调整堆内存大小。
• 并发标记（Concurrent Marking）：在应用程序运行时进行标记，减少停顿时间。

性能调优

性能调优包括以下几个方面：

• JVM参数配置：通过配置JVM参数，如Xms、Xmx等，优化内存使用。
• 内存泄漏诊断：使用工具诊断内存泄漏。
• JIT编译优化：JIT编译器对Java字节码进行优化，提高程序性能。

二、Spring Boot知识体系

自动配置

Spring Boot的自动配置功能可以自动配置Spring应用程序的依赖项和配置项。自动配置的原理如下：

1. @EnableAutoConfiguration：通过该注解启用自动配置功能。Spring Boot会根据添加的依赖项自动配置相应的Bean。

2. 条件化配置（@Conditional）：根据特定条件启用或禁用自动配置。例如，当项目中存在Redis依赖时，自动配置RedisTemplate。

自定义Starter开发

自定义Starter可以方便地将第三方库集成到Spring Boot项目中。自定义Starter的步骤如下：

1. 创建一个Maven项目，并添加Spring Boot依赖。

2. 添加自定义的依赖。

3. 编写自动配置类，用于配置第三方库。

4. 创建Spring Boot Starter，将自动配置类和依赖打包成JAR文件。

起步依赖

起步依赖是Spring Boot提供的预定义依赖集合，它简化了依赖管理。起步依赖的原理如下：

1. BOM（Bill of Materials）文件：定义了项目的依赖关系。BOM文件可以确保依赖版本的一致性。

2. 依赖管理机制：通过Maven或Gradle配置依赖。例如，在pom.xml文件中添加起步依赖。

版本冲突解决

版本冲突是指项目中存在多个版本的依赖。解决版本冲突的步骤如下：

1. 使用依赖管理机制，如BOM文件，确保依赖版本的一致性。

2. 使用依赖排除（exclusion）机制，排除冲突的依赖。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式，如：

1. 自动配置：通过自动配置类集成第三方库。

2. Bean配置：通过配置类或配置文件集成第三方库。

Actuator

Spring Boot Actuator是一个用于监控和管理Spring Boot应用程序的工具。它提供了以下功能：

1. 健康检查端点：用于检查应用程序的健康状态。

2. 度量指标收集：用于收集应用程序的性能指标。

3. 自定义Endpoint开发：可以自定义端点，提供额外的监控和管理功能。

配置文件管理

Spring Boot支持多环境配置，如：

1. 多环境配置文件：application-{profile}.yml，其中{profile}是环境名称，如application-dev.yml、application-prod.yml等。

2. 配置加载优先级：优先加载与当前环境匹配的配置文件。

3. 动态配置刷新：支持动态刷新配置文件。

监控与日志

Spring Boot支持多种监控和日志框架，如：

1. Micrometer：用于集成不同的监控工具。

2. Logback/SLF4J：用于配置日志。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如：

1. Skywalking：用于追踪分布式系统的调用链路。

2. Zipkin：用于收集分布式系统的追踪数据。

扩展机制

Spring Boot提供以下扩展机制：

1. 自定义AutoConfigurationBean：可以自定义自动配置类，实现对特定功能的扩展。

2. 生命周期扩展点：可以监听应用程序的生命周期事件，进行扩展。

3. 响应式编程支持：支持响应式编程，如Spring WebFlux。

通过以上对JVM和Spring Boot知识体系的详细解析，我们可以更好地理解这两个技术，并将其应用到实际项目中。在实际项目中，我们需要根据具体需求选择合适的JVM参数和Spring Boot配置，以提高应用程序的性能和稳定性。

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