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）、《解密程序员的思维密码——沟通、演讲、思考的实践》作者、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。

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💡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。

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JVM知识体系补充说明

类加载机制

类加载机制是JVM的核心功能之一，它确保了每个类在运行时只被加载一次。在Java中，类加载器负责将.class文件加载到JVM中，并生成对应的Class对象。

• 加载（Loading）：这一阶段涉及到类的加载器（Class Loader），它负责将.class文件从文件系统或网络中读取到JVM中，然后通过定义的类加载器机制，将字节码转换为Class对象。Java提供了几种内置的类加载器，如Bootstrap ClassLoader、Extension ClassLoader和App ClassLoader。

• 连接（Linking）：在连接阶段，JVM会检查类的信息是否正确，包括类文件的结构、常量池、字段和方法等。这一阶段分为三个子阶段：验证（Verification）、准备（Preparation）和解析（Resolution）。验证确保类文件符合JVM规范；准备阶段为类变量分配内存并设置默认值；解析阶段将符号引用转换为直接引用。

• 初始化（Initialization）：初始化阶段是类加载过程的最后一步，它负责执行类的初始化代码，如静态初始化器（static initializer）和静态代码块。

类加载过程

类加载过程涉及以下步骤：

• 加载：类加载器通过findClass()方法查找并加载.class文件，然后通过defineClass()方法将字节码转换为Class对象。

• 连接：

  • 验证：确保.class文件字节码的正确性，包括字节码结构的完整性、符号表的正确性等。
  • 准备：为类变量分配内存并设置默认值。
  • 解析：将类或接口的符号引用转换为直接引用。

• 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。

双亲委派模型

双亲委派模型是JVM中类加载器的工作模式，它规定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。这种模型的目的是避免类的重复加载，同时确保核心API的稳定。

• Bootstrap ClassLoader：加载JVM核心库，如rt.jar。
• Extension ClassLoader：加载Java扩展库。
• App ClassLoader：加载应用程序类路径（classpath）中的类。

自定义类加载器

自定义类加载器允许开发者控制类的加载过程，这在实现模块化、插件式架构时非常有用。

• 继承抽象类ClassLoader：通过继承ClassLoader类并重写findClass()方法，可以实现自定义的类加载逻辑。
• 使用defineClass()方法：通过defineClass()方法可以直接从字节码数组创建Class对象，而不依赖于类加载器。

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，提供了一种更清晰、更安全的依赖管理方式。

• 模块定义：每个模块都包含一个module-info.java文件，用于定义模块的名称、公开的包和所需的模块。
• 模块间依赖：模块之间通过声明依赖来建立关系，确保模块之间的兼容性。

内存模型

JVM的内存模型包括以下几个运行时数据区：

• 堆（Heap）：堆是所有类实例和数组的内存区域，是动态分配的。JVM垃圾回收主要在堆上进行。
• 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。
• 方法区（Method Area）：方法区存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据。方法区是线程共享的。
• PC寄存器：每个线程都有一个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

内存溢出通常发生在以下场景：

• 堆内存溢出：当堆内存使用过多时，JVM会抛出java.lang.OutOfMemoryError。
• 栈内存溢出：当栈内存使用过多时，JVM会抛出java.lang.StackOverflowError。
• 方法区溢出：当方法区内存使用过多时，JVM会抛出java.lang.OutOfMemoryError。

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。
• 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。
• 引用类型：不同的引用类型会影响对象的回收时机。

垃圾回收算法

常见的垃圾回收算法包括：

• 标记-清除（Mark-Sweep）：标记所有可达对象，然后清除未被标记的对象。
• 复制（Copying）：将对象复制到另一块内存区域，并释放原内存。
• 整理（Compacting）：移动对象，整理内存空间。

并发收集器

并发收集器允许GC与应用程序的运行同时进行，常见的有：

• CMS（Concurrent Mark Sweep）：一种以最小化停顿时间为目标的收集器。
• G1（Garbage-First）：一种面向服务端应用的收集器，通过将堆分成多个区域，优先回收垃圾最多的区域。
• ZGC（Z Garbage Collector）：一种低延迟的垃圾收集器，适用于多核处理器。

停顿时间控制策略

JVM提供了多种策略来控制垃圾回收时的停顿时间，如使用不同的收集器或调整JVM参数。

性能调优

性能调优包括：

• JVM参数配置：通过调整Xms、Xmx等参数来优化内存使用。
• 内存泄漏诊断：使用工具诊断内存泄漏问题。

JIT编译优化

JIT编译器是JVM的一部分，它将字节码即时编译成本地机器码，以提高性能。

Spring Boot知识体系补充说明

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。

• @EnableAutoConfiguration：通过这个注解，Spring Boot会自动配置相关的Bean。
• 条件化配置（@Conditional）：允许基于特定的条件来启用或禁用配置。

自定义Starter开发

自定义Starter可以帮助开发者将库或框架集成到Spring Boot项目中。

• 创建自定义Starter：通过创建一个包含spring-boot-starter依赖的Maven项目，并添加相应的依赖和自动配置。
• 提供配置元数据：在META-INF/spring.factories文件中声明自动配置类。

起步依赖

起步依赖（Starters）是Spring Boot提供的依赖管理机制，它简化了依赖的添加和版本管理。

• 起步依赖声明：在pom.xml或build.gradle文件中添加相应的起步依赖。
• 依赖版本管理：Spring Boot会自动管理依赖的版本。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM（Bill of Materials）文件用于定义项目中所有依赖的版本，确保版本一致性。

• 创建BOM文件：在pom.xml或build.gradle文件中添加<dependencyManagement>节点，并声明BOM依赖。
• 版本一致性：BOM确保所有依赖的版本都保持一致。

版本冲突解决

Spring Boot通过依赖管理机制和自动配置来减少版本冲突。

• 依赖管理机制：通过BOM和依赖管理节点来控制依赖版本。
• 自动配置：自动配置会尝试解决版本冲突。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库的集成模式，如自动配置、配置属性等。

• 自动配置：通过自动配置类来集成第三方库。
• 配置属性：通过配置文件来配置第三方库。

Actuator

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

• 健康检查端点：用于检查应用程序的健康状态。
• 度量指标收集：收集应用程序的性能指标。
• 自定义Endpoint开发：允许开发者创建自定义端点。

配置文件管理

Spring Boot使用配置文件来管理应用程序的配置，支持多环境配置。

• 多环境配置（application-{profile}.yml）：根据不同的环境（如开发、测试、生产）使用不同的配置文件。
• 配置加载优先级：配置文件的加载顺序和优先级。
• 动态配置刷新：支持动态刷新配置。

监控与日志

Spring Boot提供了集成监控和日志的解决方案。

• Micrometer：用于度量指标收集。
• Logback/SLF4J：用于日志管理。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin和Jaeger。

• 集成链路追踪库：通过集成Zipkin或Jaeger等链路追踪库，实现分布式追踪。
• 分布式追踪配置：配置链路追踪库的客户端和服务端。

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。

• 自定义AutoConfigurationBean：通过实现AutoConfigurePackage接口，可以自定义自动配置Bean。
• 生命周期扩展点：通过实现ApplicationRunner或CommandLineRunner接口，可以自定义应用程序的生命周期钩子。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，通过Spring WebFlux实现。

• 响应式编程模型：Spring WebFlux使用Reactor库来实现响应式编程模型。
• 异步编程：Spring WebFlux支持异步编程，提高应用程序的性能和可伸缩性。

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