JVM与Spring Boot深度解析

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原创 2025-08-07 09:08:53 255 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

📕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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Java程序员廖志伟

💡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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一、JVM知识体系、类加载机制、类加载过程（加载→连接→初始化）双亲委派模型自定义类加载器模块化系统（JPMS）

JVM（Java虚拟机）是Java程序运行的核心环境，它负责将Java字节码转换为机器码执行。JVM知识体系主要包括以下几个方面：

  1. 类加载机制：JVM通过类加载器负责从文件系统或网络中加载Class文件，生成Class对象的过程。类加载机制分为以下几个阶段：

（1）加载：查找并加载指定的class文件到JVM中，生成Class对象。这一过程涉及类加载器的查找、文件的读取、字节码的解析等。类加载器包括启动类加载器、扩展类加载器和应用程序类加载器。启动类加载器负责加载JDK自带的jar包，扩展类加载器负责加载JDK的扩展jar包，应用程序类加载器负责加载应用程序的jar包。

（2）连接：验证Class文件格式的正确性，准备类变量所需的内存，将符号引用转换为直接引用。连接阶段分为验证、准备和解析三个子阶段。验证阶段确保Class文件符合Java虚拟机规范；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。

（3）初始化：执行类构造器方法，初始化类变量和静态变量。初始化阶段是类加载的最后一步，也是类创建过程中的关键步骤。

  1. 双亲委派模型：在Java中，类加载器采用双亲委派模型，即当一个类需要被加载时，首先委派给它的父类加载器进行加载，如果父类加载器无法加载，则由自己来加载。这种模型可以避免类的重复加载，同时保证类型安全。

  2. 自定义类加载器：用户可以通过继承ClassLoader类或实现ClassLoader接口来创建自定义类加载器，实现类加载过程中的特殊需求。例如，可以实现网络类加载器，从网络中加载Class文件。

  3. 模块化系统（JPMS）：Java 9引入了模块化系统，可以将JVM中的代码组织成模块，提高代码的可复用性和安全性。模块化系统主要由模块描述符文件（module-info.java）和模块层（layers）构成。模块描述符文件定义了模块的依赖关系和模块中包含的类、接口、资源等；模块层则用于组织模块间的依赖关系。

二、内存模型、运行时数据区（堆/栈/方法区/PC寄存器）内存溢出场景分析直接内存管理垃圾回收、GC Roots可达性分析分代收集理论（Young/Old区）引用类型（强/软/弱/虚）垃圾回收算法、标记-清除/复制/整理算法并发收集器（CMS/G1/ZGC）停顿时间控制策略性能调优、JVM参数配置（Xms/Xmx等）内存泄漏诊断JIT编译优化

  1. 内存模型：JVM内存模型主要包括堆、栈、方法区和PC寄存器。

（1）堆：用于存放几乎所有的对象实例和数组。堆内存是动态分配的，垃圾回收主要发生在堆上。

（2）栈：用于存放局部变量表、操作数栈、方法出口等信息。栈内存是线程私有的，线程间互不干扰。

（3）方法区：用于存放已被加载的类信息、常量、静态变量等数据。方法区是全局共享的，多个线程共享同一方法区。

（4）PC寄存器：用于存放当前线程正在执行的指令的地址。PC寄存器是线程私有的，每个线程都有自己的PC寄存器。

  1. 内存溢出场景分析：内存溢出是指JVM在运行过程中，由于内存资源不足导致程序无法正常运行。常见的内存溢出场景有：

（1）堆溢出：创建对象过多，导致堆内存不足。可以通过调整JVM堆内存参数（如-Xms和-Xmx）来避免堆溢出。

（2）栈溢出：递归调用过深，导致栈内存不足。可以通过调整JVM栈内存参数（如-Xss）来避免栈溢出。

（3）方法区溢出：加载的类过多，导致方法区内存不足。可以通过调整JVM方法区参数（如-XX:MaxPermSize）来避免方法区溢出。

  1. 直接内存管理：Java 7引入了NIO包，提供了一种直接内存的管理方式，即MappedByteBuffer。直接内存可以分配在JVM堆之外，不受JVM内存管理限制。直接内存适用于大文件读写操作，可以提高I/O性能。

  2. 垃圾回收、GC Roots可达性分析：垃圾回收是指JVM自动回收不再使用的对象所占用的内存资源。GC Roots可达性分析是垃圾回收的核心算法之一，通过判断对象是否可达GC Roots来确定对象是否需要被回收。GC Roots主要包括方法区中的静态变量引用的对象、栈中的引用对象、本地方法栈中的引用对象等。

  3. 分代收集理论：JVM将对象分为新生代（Young）和老年代（Old），分别采用不同的垃圾回收算法。新生代主要采用复制算法，老年代主要采用标记-清除或标记-整理算法。

  4. 引用类型：Java中主要有四种引用类型，分别是强引用、软引用、弱引用和虚引用。

（1）强引用：强引用是最常见的引用类型，它表示对象在内存中存在，不会被垃圾回收器回收。

（2）软引用：软引用表示对象在内存中存在，但可以被垃圾回收器回收，以供其他对象使用。

（3）弱引用：弱引用表示对象在内存中存在，但可以被垃圾回收器随时回收。

（4）虚引用：虚引用表示对象在内存中存在，但没有任何引用指向它，任何时候都可以被垃圾回收器回收。

  1. 垃圾回收算法：主要包括标记-清除、复制、整理算法等。

（1）标记-清除算法：首先标记所有可达对象，然后清除未被标记的对象。

（2）复制算法：将对象分为两块内存区域，每次只使用其中一块，当这块区域满了，就将存活的对象复制到另一块区域，并清空原区域。

（3）整理算法：在标记-清除算法的基础上，对内存进行整理，以减少内存碎片。

  1. 并发收集器：CMS、G1、ZGC等并发收集器旨在减少垃圾回收的停顿时间。

（1）CMS（Concurrent Mark Sweep）：CMS收集器是一种以降低停顿时间为目标的收集器，适用于对停顿时间敏感的应用程序。

（2）G1（Garbage-First）：G1收集器是一种基于Region的收集器，它将堆内存划分为多个区域，优先回收垃圾较多的区域。

（3）ZGC（Z Garbage Collector）：ZGC收集器是一种低延迟的垃圾回收器，适用于对延迟要求极高的应用程序。

  1. 停顿时间控制策略：通过调整JVM参数来控制垃圾回收的停顿时间。例如，可以通过设置JVM参数-XX:MaxGCPauseMillis来控制最大停顿时间。

  2. 性能调优、JVM参数配置：通过调整JVM参数来优化性能。例如，可以通过设置JVM参数-Xms和-Xmx来调整堆内存大小，通过设置JVM参数-XX:NewRatio来调整新生代和老年代的比例。

  3. 内存泄漏诊断：使用工具（如JProfiler、VisualVM等）对内存泄漏进行诊断。内存泄漏是指程序中已分配的内存无法被垃圾回收器回收，导致内存占用不断增加。

  4. JIT编译优化：JIT编译器在运行时将字节码编译成本地机器码，以提高程序执行效率。JIT编译优化包括指令重排、循环展开、内联等。

三、Spring Boot知识体系、自动配置、@EnableAutoConfiguration原理条件化配置（@Conditional）自定义Starter开发起步依赖、依赖管理机制（BOM文件）版本冲突解决第三方库集成模式Actuator、健康检查端点度量指标收集自定义Endpoint开发配置文件管理、多环境配置（application-{profile}.yml）配置加载优先级动态配置刷新监控与日志、Micrometer集成Logback/SLF4J配置分布式链路追踪扩展机制、自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点响应式编程支持

  1. Spring Boot知识体系：Spring Boot是一个开源的Java框架，旨在简化Spring应用的创建和部署。其核心组件包括自动配置、Starter依赖、Actuator、响应式编程等。

  2. 自动配置：Spring Boot通过自动配置技术，根据项目依赖和配置文件，自动配置Spring框架的各种组件。自动配置的核心原理如下：

（1）@EnableAutoConfiguration：通过标注在主类上，开启自动配置功能。@EnableAutoConfiguration注解会自动查找所有带有@Configuration注解的类，并将它们注册为Bean。

（2）条件化配置：根据条件判断是否启用某个配置，例如使用@Conditional注解。@Conditional注解可以与各种条件匹配器组合使用，实现灵活的条件判断。

  1. 自定义Starter开发：用户可以通过自定义Starter来提供特定的功能，方便其他项目依赖和集成。自定义Starter需要创建一个Maven或Gradle项目，并添加必要的依赖和配置。

  2. 起步依赖、依赖管理机制：Spring Boot使用Maven或Gradle作为构建工具，通过起步依赖和依赖管理机制来管理项目依赖。起步依赖是指一组预定义的依赖，可以简化项目配置。

  3. 版本冲突解决：在项目开发过程中，可能会遇到依赖版本冲突的问题。可以通过以下方式解决：

（1）使用BOM文件：BOM（Bill of Materials）文件可以定义项目中所有依赖的版本，避免版本冲突。

（2）排除依赖：使用 标签排除不需要的依赖。

  1. 第三方库集成模式：在Spring Boot项目中，可以按照以下模式集成第三方库：

（1）通过Starter依赖集成。

（2）通过Maven或Gradle的依赖管理机制集成。

  1. Actuator：Spring Boot Actuator是Spring Boot提供的监控系统，可以获取应用的健康状态、度量指标等信息。

  2. 健康检查端点：Spring Boot提供了一系列健康检查端点，如/health、/info等，用于检查应用的健康状态。

  3. 度量指标收集：通过集成Micrometer，可以收集应用的度量指标，如CPU使用率、内存使用率等。

  4. 自定义Endpoint开发：用户可以根据需求自定义Endpoint，用于扩展Actuator功能。

  5. 配置文件管理、多环境配置：Spring Boot支持配置文件管理，可以针对不同环境（如开发、测试、生产）创建不同的配置文件（如application-dev.yml、application-prod.yml）。

  6. 配置加载优先级：Spring Boot根据以下顺序加载配置文件：

（1）启动参数。

（2）命令行参数。

（3）application.properties。

（4）application.yml。

（5）profile对应的配置文件。

  1. 动态配置刷新：Spring Boot支持动态刷新配置，可以在运行时修改配置文件并立即生效。

  2. 监控与日志：Spring Boot集成了Logback/SLF4J等日志框架，支持监控和日志记录。

  3. 分布式链路追踪扩展机制：Spring Boot可以通过集成Zipkin等分布式链路追踪工具，实现应用间的链路追踪。

  4. 自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点：用户可以通过实现AutoConfigurationImportSelector接口，自定义AutoConfigurationBean的生命周期扩展点。

  5. 响应式编程支持：Spring Boot支持响应式编程，通过集成Reactor等响应式编程框架，实现异步编程和事件驱动编程。

总结：本文从JVM和Spring Boot两个方面，详细介绍了相关知识点。通过这些知识，可以帮助读者更好地理解和应用Java虚拟机以及Spring Boot框架。在实际开发过程中，可以根据需求进行拓展和优化，以提高项目的性能和可维护性。

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java.sql.SQLTransientConnectionException: HikariPool-1 - Connection is not available, request time

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我是Java程序员廖志伟，感谢朋友们的支持！不定期贡献一篇高品质、过万文字、图文并茂且附有视频解说、满载代码示例注释的良心之作，坚决杜绝粗制乱造。 936

java.sql.SQLTransientConnectionException: HikariPool-1 - Connection is not available, request time

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com.sharding_sphere.core.yaml.YamlParsingException: YAML parsing failed for ‘sharding规则配置缺失‘

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org.springframework.transaction.CannotCreateTransactionException: Could not open JDBC Connection f

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YamlPropertySourceLoader.ErrorDefinitionException: failed to parse property ‘sharding规则配置‘ in file

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java.sql.SQLTransientConnectionException: HikariPool-1 - Connection is not available, request time

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HikariPool-1 - Connection is not available, request timed out after 30000ms.

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java.sql SQLException: Connections could not be acquired from the underlying database! org.sprin

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