JVM与Spring Boot核心解析

📕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。

Java程序员廖志伟

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一、JVM知识体系

1.1 类加载机制

在Java虚拟机(JVM)中,类加载机制是一个复杂的系统,它负责将Java源代码编译成的字节码加载到JVM中,并确保每个类在程序运行时只被加载一次。类加载器(Class Loader)在这个过程中扮演着至关重要的角色。它通常包括启动类加载器(Bootstrap Class Loader)、扩展类加载器(Extension Class Loader)和应用类加载器(Application Class Loader)。

  • 启动类加载器:负责加载JVM自身的核心类库,如rt.jar中的类。
  • 扩展类加载器:负责加载Java平台扩展目录中的类库。
  • 应用类加载器:负责加载应用程序的类路径(classpath)中的类。

类加载的过程大致可以分为以下几个步骤:

  1. 加载:查找并读取指定类的字节码文件,将其存储在方法区中,并生成一个Class对象。
  2. 验证:确保加载的类信息符合JVM规范,没有安全问题时才会被加载。
  3. 准备:为类变量分配内存,设置默认初始值。
  4. 解析:将符号引用替换为直接引用。

1.2 类加载过程

类加载过程是类加载器的工作流程,具体可以分为以下三个阶段:

  • 加载:将类文件字节码读入内存,形成运行时的类对象。
  • 连接:
    • 验证:确保加载的类信息符合JVM规范,没有安全问题时才会被加载。
    • 准备:为类变量分配内存,设置默认初始值。
    • 解析:将符号引用替换为直接引用。
  • 初始化:执行类字段的初始化代码,包括静态变量、静态代码块等。

1.3 双亲委派模型

双亲委派模型是Java类加载机制的核心策略,它要求类加载器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,才由子类加载器尝试加载。这种模型保证了Java核心库的稳定性和安全性。

1.4 自定义类加载器

在实际应用中,我们可以通过继承ClassLoader类来创建自定义类加载器,以实现特定的加载需求。自定义类加载器可以加载特定来源的类,如本地文件系统、网络资源、数据库等。

1.5 模块化系统(JPMS)

Java Platform Module System(JPMS)是Java 9引入的一个模块化系统,它通过将Java程序划分为多个模块,提高了Java程序的可维护性和性能。模块化系统允许开发者将应用程序分解为多个可重用的模块,并定义模块间的依赖关系。

二、内存模型

2.1 运行时数据区

JVM运行时数据区包括以下区域:

  • 堆(Heap):存储对象实例和数组的内存区域。它是JVM中最大的内存区域,通常由操作系统分配。
  • 栈(Stack):存储线程的局部变量、操作数栈、控制栈等内存区域。每个线程都有自己的栈空间。
  • 方法区(Method Area):存储类信息、常量、静态变量等内存区域。它是所有线程共享的内存区域。
  • PC寄存器(Program Counter Register):存储当前线程执行的字节码索引。

2.2 内存溢出场景分析

内存溢出是指程序在运行过程中,请求的内存超过了JVM所能分配的内存,导致程序崩溃。常见的内存溢出场景包括:

  • 对象过多:大量对象实例占用堆空间,导致堆内存不足。
  • 长期字符串连接:字符串连接操作可能导致临时对象过多,占用栈空间。
  • 集合内存泄漏:集合类未及时释放,导致内存泄漏。

2.3 直接内存管理

直接内存是指堆外内存,它不属于堆或栈内存。JVM提供了专门的DirectByteBuffer类来管理直接内存。直接内存可以提高程序的性能,尤其是在需要频繁进行内存复制的场景中。

三、垃圾回收

3.1 GC Roots可达性分析

GC Roots是指一组引用关系,它从堆中指向非堆内存,包括方法区、运行时数据区和栈。垃圾回收器通过分析GC Roots,确定哪些对象是不可达的,从而回收这些对象所占用的内存。

3.2 分代收集理论

JVM将内存划分为新生代(Young)和老年代(Old)。新生代用于存放新创建的对象,而老年代用于存放长时间存活的对象。垃圾回收器分别针对这两个区域进行收集。

  • 新生代:使用复制算法进行收集,分为三个区域:Eden区、Survivor区(S0和S1)。
  • 老年代:使用标记-清除或标记-整理算法进行收集。

3.3 引用类型

引用类型包括强引用、软引用、弱引用和虚引用。不同类型的引用对垃圾回收器的影响不同。

  • 强引用:阻止垃圾回收器回收引用的对象。
  • 软引用:允许垃圾回收器在内存不足的情况下回收引用的对象。
  • 弱引用:允许垃圾回收器随时回收引用的对象。
  • 虚引用:没有任何引用关系,只能通过虚引用队列来获取对象。

3.4 垃圾回收算法

常见的垃圾回收算法有标记-清除、复制、标记-整理、分代收集等。

  • 标记-清除算法:分为标记和清除两个阶段。
  • 复制算法:将内存分为两半,每次只使用一半,当需要更多内存时,将存活对象复制到另一半。
  • 标记-整理算法:在清除垃圾对象后,对内存进行整理。

3.5 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,从而减少停顿时间。常见的并发收集器有CMS(Concurrent Mark Sweep)和G1(Garbage-First)。

3.6 停顿时间控制策略

停顿时间控制策略是指JVM在执行垃圾回收时,尽量减少对应用程序的影响。常见的策略包括并行收集器、并发收集器和G1收集器。

3.7 性能调优

JVM性能调优主要包括内存分配策略、垃圾回收策略和JVM参数配置。通过调整这些参数,可以优化JVM的性能。

3.8 内存泄漏诊断

内存泄漏是指程序中已分配的内存无法被释放,导致内存消耗不断增加。内存泄漏诊断可以通过JVM自带的工具进行,如JConsole、VisualVM等。

3.9 JIT编译优化

JIT编译器是一种即时编译器,它可以将Java字节码编译成本地机器码,提高程序的运行速度。JIT编译优化包括方法内联、循环优化、栈映射等。

四、Spring Boot知识体系

4.1 自动配置

Spring Boot通过自动配置机制,简化了Spring应用的配置。自动配置的原理是@EnableAutoConfiguration,它会根据添加的依赖自动配置相应的Bean。

4.2 @EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration使用Spring的条件化配置(@Conditional)机制,根据添加的依赖自动启用相应的配置。例如,当项目中添加了Spring Web MVC依赖时,Spring Boot会自动配置DispatcherServlet、视图解析器等组件。

4.3 条件化配置(@Conditional)

条件化配置允许在添加特定依赖或满足特定条件时启用或禁用配置。常见的条件注解包括@ConditionalOnClass、@ConditionalOnMissingClass、@ConditionalOnBean等。

4.4 自定义Starter开发

自定义Starter是Spring Boot的核心思想之一。开发自定义Starter可以帮助开发者快速集成第三方库。自定义Starter需要创建一个Maven或Gradle项目,并定义一个或多个依赖,然后使用spring-boot-starter-parent作为父项目。

4.5 起步依赖

起步依赖是Spring Boot项目的核心依赖,它包含了Spring框架和其他常用库。在创建Spring Boot项目时,需要添加起步依赖。

4.6 依赖管理机制

Maven和Gradle是常用的依赖管理工具。Maven使用pom.xml文件管理依赖,而Gradle使用build.gradle文件管理依赖。

4.7 版本冲突解决

在项目中,可能会出现依赖版本冲突。解决方法包括选择合适的依赖版本、排除冲突依赖、升级依赖等。

4.8 第三方库集成模式

Spring Boot提供了多种第三方库集成模式,如Starter、SPI、自动配置等。

4.9 Actuator

Actuator是Spring Boot提供的应用程序监控和管理的工具。它提供了健康检查、度量指标收集、自定义Endpoint等功能。

4.10 配置文件管理

Spring Boot支持多种配置文件格式,如properties、yml等。配置文件可以管理多环境配置、配置加载优先级、动态配置刷新等。

4.11 监控与日志

Spring Boot提供了Micrometer集成和Logback/SLF4J配置,用于应用程序监控和日志记录。

4.12 分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪,如Zipkin和Skywalking等。

4.13 扩展机制

Spring Boot提供了丰富的扩展机制,如自定义AutoConfigurationBean、生命周期扩展点等。

4.14 响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程,如Spring WebFlux、Spring Kafka等。

总结

本文深入浅出地介绍了JVM和Spring Boot的核心知识体系。通过对JVM内存模型、垃圾回收、类加载机制等方面的了解,可以更好地优化Java应用程序的性能。同时,掌握Spring Boot自动配置、模块化系统、配置文件管理等方面的知识,可以快速开发高效的Spring Boot应用程序。在学习和实践过程中,要注重理论知识与实际应用的结合,举一反三,不断提高自己的技能水平。

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