Java JVM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

在深入探讨Java虚拟机（JVM）的知识体系之前，我们先要理解JVM作为Java运行时环境的核心作用。JVM负责将Java字节码转换为机器码，从而在底层操作系统上执行，保证了Java“一次编写，到处运行”的特性。

类加载机制

类加载机制是JVM的核心机制之一，它负责将Java类编译后的字节码加载到JVM中。这个过程可以分为以下几个阶段：

1. 加载（Loading）：加载类信息到JVM中，包括类的二进制数据。这个过程涉及到类加载器的查找和初始化，其中类加载器可以是启动类加载器、扩展类加载器和应用程序类加载器。

2. 连接（Linking）：连接类信息，包括验证、准备和解析。

   • 验证：确保类在运行前符合JVM的要求，包括字节码的格式正确性、访问权限的合法性等。
   • 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，例如将类、接口、字段和方法的符号引用转换为直接引用。

3. 初始化（Initialization）：初始化类变量，执行静态代码块。这个过程是类加载的最后一步，也是类被加载后的第一个执行阶段。

类加载过程

类加载过程是类加载机制的具体实现，它包括以下三个阶段：

• 加载：找到类的.class文件，并将其读入JVM。这个过程涉及到类文件格式的解析和类加载器的使用。
• 连接：验证类信息，准备类在内存中的布局，解析符号引用。连接阶段是类加载和初始化之间的桥梁。
• 初始化：执行类的初始化代码，包括静态变量赋值和静态代码块。初始化过程是类加载的最终阶段。

双亲委派模型

双亲委派模型是JVM中类加载器的一种委派机制，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，它首先将请求委派给父类加载器，只有当父类加载器无法完成这个请求时，子类加载器才会尝试自己去加载。这种模型确保了类型的安全性和命名空间的隔离。

自定义类加载器

自定义类加载器允许开发者根据需要加载特定的类，这对于模块化系统（如OSGi）和代码隔离非常有用。自定义类加载器可以重写findClass方法来加载类，或者通过defineClass方法直接定义类。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一个模块化系统，它通过模块来组织代码，提高了系统的可维护性和性能。模块化系统通过模块描述文件（module-info.java）来定义模块的依赖关系和模块的公开API。

内存模型

JVM的内存模型包括以下几个运行时数据区：

• 堆（Heap）：存储所有类实例和数组的内存区域。堆内存是动态分配的，是垃圾回收的主要区域。
• 栈（Stack）：存储线程的局部变量和方法调用的内存区域。栈内存是线程私有的，生命周期与线程相同。
• 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。方法区是所有线程共享的。
• PC寄存器：存储指向当前执行线程的指令的内存区域。PC寄存器是线程私有的，用于指示当前执行的指令位置。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在以下场景：

• 堆内存溢出：堆内存不够用，如创建大量对象。可以通过增加JVM堆内存大小或优化对象创建来解决这个问题。
• 栈内存溢出：栈内存不够用，如递归调用深度过大。可以通过增加JVM栈内存大小或优化递归算法来解决这个问题。
• 方法区溢出：方法区内存不够用，如加载大量类。可以通过增加JVM方法区大小或优化类加载策略来解决这个问题。

垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动管理内存的一种机制。它通过以下步骤进行：

• GC Roots可达性分析：从GC Roots开始，向上遍历可达对象，不可达对象即为垃圾。GC Roots包括线程栈、方法区中的静态变量、常量池等。
• 分代收集理论：将堆内存分为年轻代（Young）、老年代（Old）和永久代（Perm，在Java 8之后为Metaspace）。不同代使用不同的垃圾回收算法。
• 引用类型：分为强引用、软引用、弱引用和虚引用。不同类型的引用对垃圾回收有不同的影响。
• 垃圾回收算法：包括标记-清除、复制、整理算法。不同的算法适用于不同的场景。
• 并发收集器：如CMS、G1、ZGC，它们旨在减少停顿时间，提高系统吞吐量。
• 停顿时间控制策略：如G1的并发标记阶段、CMS的标记-清除阶段，旨在控制垃圾回收的停顿时间。

性能调优

性能调优包括：

• JVM参数配置：如-Xms、-Xmx等，用于控制堆内存大小、垃圾回收策略等。
• 内存泄漏诊断：使用工具如VisualVM、MAT等，分析内存使用情况，找出内存泄漏的原因。
• JIT编译优化：JVM在运行时对代码进行优化，提高程序执行效率。

二、Spring Boot知识体系

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。

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Spring应用程序。其核心是@EnableAutoConfiguration注解。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration通过条件化配置来实现自动配置。它扫描类路径下的所有jar包，根据类路径下的类和bean定义，自动配置Spring应用程序。这个过程涉及到条件注解的使用，例如@ConditionalOnClass、@ConditionalOnMissingBean等。

条件化配置（@Conditional）

条件化配置允许基于特定的条件来启用或禁用配置。例如，@ConditionalOnClass用于检查类路径下是否存在某个类，@ConditionalOnMissingBean用于检查容器中是否不存在某个bean。

自定义Starter开发

自定义Starter可以帮助开发者将常用的依赖和配置封装起来，方便其他开发者使用。自定义Starter通常包含一个或多个依赖库，以及一个自动配置类。

起步依赖

起步依赖（Starters）是Spring Boot提供的依赖管理机制，它通过一个单一的依赖来引入所有相关的库。起步依赖简化了项目的依赖管理，减少了手动配置的工作量。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM（Bill of Materials）文件用于定义一组依赖的版本，确保所有依赖的版本一致性。BOM文件可以避免版本冲突，提高项目的稳定性。

版本冲突解决

解决版本冲突的方法包括使用依赖管理工具、选择兼容的版本、使用BOM文件等。依赖管理工具如Maven和Gradle可以帮助自动解决版本冲突。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库的集成模式，如声明式集成、配置类集成等。声明式集成通过注解和配置文件来简化集成过程，配置类集成则通过自定义配置类来实现。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了一系列端点，用于监控和管理Spring Boot应用程序。

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。通过发送HTTP请求到健康检查端点，可以获取应用程序的健康信息。

度量指标收集

度量指标收集允许开发者收集应用程序的性能数据。这些数据可以用于监控、分析和优化应用程序。

自定义Endpoint开发

自定义Endpoint允许开发者根据需要添加自定义的端点。自定义端点可以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application-{profile}.yml。通过配置文件，可以针对不同的环境设置不同的配置参数。

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。Spring Boot会按照优先级从高到低加载配置文件。

动态配置刷新

动态配置刷新允许在运行时更新配置。通过发送HTTP请求到动态配置端点，可以更新应用程序的配置。

监控与日志

Spring Boot集成了Micrometer和Logback/SLF4J等监控和日志框架。这些框架提供了丰富的监控和日志功能，可以帮助开发者更好地监控和管理应用程序。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin、Jaeger等。分布式链路追踪可以帮助开发者追踪跨多个服务的请求，分析系统性能瓶颈。

扩展机制

Spring Boot提供了多种扩展机制，如自定义AutoConfigurationBean、生命周期扩展点等。这些扩展机制允许开发者根据需要扩展Spring Boot的功能。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，如Spring WebFlux。响应式编程可以帮助开发者构建高性能、可扩展的异步应用程序。

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在现代Java开发中的应用非常广泛。JVM作为Java语言的运行时环境，提供了强大的性能和灵活性；而Spring Boot则简化了Spring应用的创建和配置过程，提高了开发效率。两者结合，为Java开发者提供了强大的工具和平台。

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