JVM核心机制解析

📕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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JVM知识体系补充说明

类加载机制

类加载过程

1. 加载（Loading）：在这个阶段，类加载器会查找并加载指定名称的类，通过类加载器提供的findClass()方法，通常从文件系统、网络等位置读取字节码文件。在Java 9之后，引入了模块系统，类加载机制也进行了相应的扩展。

2. 连接（Linking）：

   • 验证（Verification）：确保加载的类信息符合JVM规范，没有安全风险。验证过程包括字节码验证、符号引用验证和常量池验证。
   • 准备（Preparation）：为类变量分配内存，并设置初始值。对于基本数据类型，其初始值是0，对于引用类型，其初始值是null。
   • 解析（Resolution）：将类、接口、字段和方法的符号引用转换为直接引用。解析过程包括类、接口、字段和方法的解析。

双亲委派模型

在双亲委派模型中，类的加载过程遵循以下顺序：应用程序类加载器（AppClassLoader）会先请求其父类加载器（如系统类加载器SystemClassLoader）尝试加载类，如果父类加载器无法加载，则由应用程序类加载器自己加载。这种设计保证了JVM中的类型信息的一致性。

自定义类加载器

自定义类加载器可以实现特殊的类加载逻辑，例如，可以加载特定协议的文件，或实现热部署等功能。自定义类加载器需要继承ClassLoader类或AbstractClassLoader类，并重写findClass()方法。

内存模型

运行时数据区

• 栈（Stack）：每个线程的栈是独立的，栈帧用于存储局部变量和方法调用状态。
• 方法区（Method Area）：方法区是所有线程共享的，存储类的信息、常量池、静态变量等。
• 堆（Heap）：堆是所有线程共享的，存储对象的实例和数组的内存区域。
• PC寄存器（Program Counter Register）：PC寄存器用于存储当前线程所执行的指令的地址。

内存溢出场景分析

• 堆溢出：可以通过增大JVM堆的内存大小（-Xmx参数）来避免。
• 栈溢出：可以通过减少方法调用深度、优化代码逻辑或增大栈大小（-Xss参数）来避免。
• 方法区溢出：可以通过限制加载的类数量或减小方法区的内存大小（-XX:MaxPermSize参数）来避免。

垃圾回收

GC Roots可达性分析

GC Roots包括以下几种：

• 线程栈中的引用变量：局部变量表、操作数栈、常量池中的引用。
• 方法区中的静态属性引用：静态变量、常量池中的引用。
• 运行时常量池中的引用：字符串字面量、符号引用。
• 本地方法栈：本地方法中的引用。

分代收集理论

• 年轻代（Young Generation）：用于存放新创建的对象，垃圾回收频率高。
• 老年代（Old Generation）：用于存放长期存活的对象，垃圾回收频率低。

引用类型

• 强引用（Strong Reference）：对象不会被垃圾回收，直到没有强引用指向它。
• 软引用（Soft Reference）：只有当JVM需要内存时，才会回收软引用指向的对象。
• 弱引用（Weak Reference）：弱引用指向的对象在GC时会被回收，但不是必须的。
• 虚引用（Phantom Reference）：虚引用对象在GC时一定被回收。

垃圾回收算法

• 标记-清除（Mark-Sweep）：分为标记和清除两个阶段，但存在内存碎片问题。
• 复制（Copying）：将堆分为两个大小相等的半区，每次只使用一个半区，但空间利用率低。
• 整理（Compacting）：在标记-清除算法的基础上，将存活对象压缩到堆的一端，解决内存碎片问题。

并发收集器

• CMS（Concurrent Mark Sweep）：一种并发垃圾回收器，尽量减少停顿时间。
• G1（Garbage-First）：一种基于分代收集的垃圾回收器，优先回收垃圾最多的区域。
• ZGC（Z Garbage Collector）：一种低延迟的垃圾回收器，适用于多核处理器。

停顿时间控制策略

• 目标停顿时间（Target Pause Time）：通过调整JVM参数来控制垃圾回收的停顿时间。
• 最大停顿时间（Max Pause Time）：在目标停顿时间基础上，设置最大停顿时间。

性能调优

• JVM参数配置：通过调整JVM参数，如堆大小、垃圾回收策略等，来优化性能。
• 内存泄漏诊断：使用内存分析工具，如MAT、VisualVM等，来诊断内存泄漏问题。

JIT编译优化

JIT编译器会将字节码编译成本地机器码，提高程序的执行效率。JIT编译器的主要优化技术包括：

• 内联（Inlining）：将方法调用替换为方法体。
• 循环优化（Loop Optimization）：优化循环结构。
• 指令重排序（Instruction Reordering）：优化指令执行顺序。

Spring Boot知识体系补充说明

自动配置

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解通过以下方式实现自动配置：

• 条件化配置：通过@Conditional注解，根据条件判断是否加载配置类。
• 配置类扫描：Spring Boot会扫描所有jar依赖中的配置类，并判断是否满足自动配置的条件。
• 配置类绑定：将配置类与相应的Bean绑定，实现自动配置。

条件化配置（@Conditional）

@Conditional注解有多种实现方式，如：

• @ConditionalOnClass：当存在指定类时，满足条件。
• @ConditionalOnMissingBean：当不存在指定Bean时，满足条件。
• @ConditionalOnBean：当存在指定Bean时，满足条件。

自定义Starter开发

自定义Starter需要以下步骤：

1. 创建一个Maven项目，并添加Starter的依赖。
2. 创建一个配置类，并添加@EnableAutoConfiguration注解。
3. 添加必要的配置文件和资源文件。

起步依赖

Spring Boot使用起步依赖（Starters）来简化依赖管理。起步依赖通常以spring-boot-starter-*的形式存在，包含了一组相关库的依赖。

依赖管理机制（BOM文件）

Spring Boot使用BOM（Bill of Materials）文件来管理依赖的版本，确保项目中的依赖版本一致。

版本冲突解决

Spring Boot通过BOM文件和依赖传递来避免版本冲突。

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：通过添加起步依赖和配置文件来实现。
• 编程式集成：通过编写代码来实现。

Actuator

Spring Boot Actuator是一个监控和管理Spring Boot应用的工具。它提供了以下功能：

• 健康检查：可以检查应用的运行状态，如数据库连接、服务可用性等。
• 度量指标收集：可以收集应用的性能指标，如内存使用情况、线程数等。
• 自定义Endpoint开发：可以自定义Endpoint来提供特定的监控和管理功能。

配置文件管理

Spring Boot使用配置文件来管理应用配置，如application.properties和application.yml。配置文件可以包含以下内容：

• 属性配置：用于配置应用属性，如数据库连接信息、服务端口号等。
• 环境配置：用于配置不同环境下的配置信息，如开发环境、测试环境和生产环境。
• 配置加密：用于加密敏感信息，如数据库密码等。

多环境配置（application-{profile}.yml）

Spring Boot支持多环境配置，如开发环境、测试环境和生产环境。可以通过设置环境变量或配置文件来切换环境。

配置加载优先级

Spring Boot根据配置文件的路径和名称来确定配置的优先级。例如，application-dev.yml的优先级高于application.yml。

动态配置刷新

Spring Boot支持动态刷新配置，使得配置更改无需重启应用。

监控与日志

Spring Boot集成了多种监控和日志框架，如Micrometer、Logback/SLF4J等。

Micrometer集成

Micrometer是一个度量指标收集框架，可以与多种监控系统集成。它支持多种度量指标，如内存使用情况、线程数等。

Logback/SLF4J配置

Spring Boot使用Logback和SLF4J作为日志框架。可以通过配置文件或代码来配置日志级别、日志格式等。

分布式链路追踪扩展机制

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin和Jaeger。通过集成分布式链路追踪工具，可以实现应用间调用关系的追踪和分析。

自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点

Spring Boot提供了自定义AutoConfigurationBean的生命周期扩展点，如@PostConstruct和@PreDestroy。可以通过这些扩展点来实现自定义的生命周期操作。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，如Spring WebFlux。响应式编程可以使程序更易读、更易维护，并提高系统的并发性能。

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