JVM与Spring Boot详解-优快云博客

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📘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知识体系详解

类加载机制

Java虚拟机（JVM）的类加载机制是Java运行时环境中的核心组件之一，它负责在运行时将Java类编译成的字节码加载到JVM中，并确保类在运行时能够被正确识别和使用。类加载机制不仅包括类加载器的选择与工作流程，还涉及到类加载过程中的各个阶段以及相关的类加载策略。

类加载器：在JVM中，类加载器负责将类文件加载到内存中，并生成对应的Class对象。类加载器大致可以分为启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）、扩展类加载器（Extension ClassLoader）和应用类加载器（Application ClassLoader）三种类型。启动类加载器负责加载JVM自身使用的类库，扩展类加载器负责加载JVM扩展库，而应用类加载器负责加载应用程序的类。
加载过程：类加载过程包括三个阶段：加载、连接和初始化。
- 加载：类加载器首先通过类文件定位器找到类文件，然后将其读入内存，并生成一个Class对象。在这个过程中，JVM会检查类文件是否符合Java规范，确保类文件没有安全风险。
- 连接：连接过程包括验证、准备和解析三个子阶段。验证阶段确保类文件字节码符合JVM规范，没有安全风险；准备阶段为类变量分配内存，并设置默认初始值；解析阶段将符号引用转换为直接引用。
- 初始化：初始化阶段是类加载过程的最后一个阶段，它负责初始化类变量，执行静态代码块，并初始化类。

类加载过程

类加载过程的三个阶段是类加载机制的核心，下面分别进行详细解析：

加载：类加载器通过读取类文件，将其内容读入内存，并生成一个Class对象。在这个过程中，JVM会使用类文件定位器来找到类文件，然后通过类加载器将类文件读入内存。类文件定位器可以有多种实现，如文件系统类加载器、网络类加载器等。
连接：连接过程包括验证、准备和解析三个子阶段。
- 验证：验证阶段确保类文件的字节码符合JVM规范，没有安全风险。验证过程包括字节码验证、符号引用验证和类文件结构验证等。
- 准备：准备阶段为类变量分配内存，并设置默认初始值。类变量分为实例变量和类变量，实例变量分配在堆内存中，而类变量分配在方法区中。
- 解析：解析阶段将符号引用转换为直接引用。符号引用是指指向方法区的引用，而直接引用是指指向堆内存中对象的引用。
初始化：初始化阶段是类加载过程的最后一个阶段，它负责初始化类变量，执行静态代码块，并初始化类。在这个过程中，JVM会执行类中的静态代码块，并初始化类变量。

双亲委派模型

双亲委派模型是JVM中类加载器的一种策略，它要求子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加载时，子类加载器才会尝试加载。这种模型的目的是为了避免类的重复加载，确保类型安全。

自定义类加载器

自定义类加载器可以实现对特定类文件的加载，例如加载特定版本的库或者实现插件机制。自定义类加载器需要继承java.lang.ClassLoader类，并重写findClass方法。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一种模块化系统，它允许开发者将应用程序分解为多个模块，从而提高系统的可维护性和安全性。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权限。

内存模型

JVM的内存模型包括以下部分：

运行时数据区：包括堆、栈、方法区和PC寄存器。
- 堆：存储所有类的实例和数组的对象。堆内存是动态分配的，垃圾回收主要发生在堆内存。
- 栈：存储局部变量和方法调用栈。栈内存是线程私有的，每个线程都有自己的栈。
- 方法区：存储类信息、常量、静态变量等。方法区是所有线程共享的。
- PC寄存器：存储当前线程所执行的指令的地址。PC寄存器是线程私有的。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在以下场景：

堆内存不足，导致无法创建新的对象。
方法区内存不足，导致无法加载新的类。
栈内存不足，导致线程栈溢出。

垃圾回收

垃圾回收是JVM自动管理内存的一种机制，它通过回收不再使用的对象来释放内存。垃圾回收算法主要包括标记-清除、复制和整理算法。

GC Roots可达性分析：通过从GC Roots开始，向上遍历可达性链，判断对象是否可达。
分代收集理论：将堆内存分为年轻代（Young）和老年代（Old），分别采用不同的回收策略。
引用类型：包括强引用、软引用、弱引用和虚引用。
垃圾回收算法：包括标记-清除、复制和整理算法。
并发收集器：包括CMS、G1和ZGC，它们在垃圾回收过程中尽量减少对应用程序的干扰。
停顿时间控制策略：通过调整垃圾回收策略和JVM参数，控制垃圾回收的停顿时间。

性能调优

性能调优是优化JVM性能的关键，以下是一些常见的调优方法：

JVM参数配置：通过调整JVM参数（如Xms、Xmx等）来优化内存使用。
内存泄漏诊断：通过工具检测内存泄漏，并修复它们。
JIT编译优化：JIT编译器在运行时对代码进行优化，提高程序性能。

Spring Boot知识体系详解

自动配置

Spring Boot的自动配置功能可以自动配置Spring应用程序，减少手动配置的工作量。自动配置的实现基于条件化配置和条件注解。

@EnableAutoConfiguration原理：通过扫描类路径下的jar包，自动配置相应的Bean。自动配置过程会根据类路径下存在的类和注解，自动配置Spring框架的Bean。
条件化配置（@Conditional）：根据特定的条件，决定是否配置某个Bean。条件化配置可以基于类路径、属性值、注解等条件进行配置。

自定义Starter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需要定义一个起步依赖，并使用Maven或Gradle来管理依赖。

起步依赖：定义一个起步依赖，包含所需的所有依赖。起步依赖通常包含一个起步POM文件，其中定义了所有依赖的版本。
依赖管理机制：使用BOM文件来管理依赖版本，解决版本冲突。BOM（Bill of Materials）文件是一个包含所有依赖及其版本的文件，可以确保项目中的依赖版本一致。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库的集成模式，包括依赖注入和配置文件。

依赖注入：使用Spring的依赖注入机制集成第三方库。Spring通过自动装配（Auto-Configuration）和条件化配置来实现第三方库的集成。
配置文件：通过配置文件来配置第三方库。Spring Boot支持多种配置文件格式，如properties、yaml等。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了一系列端点，用于监控和管理应用程序。Actuator端点可以提供应用程序的健康状态、度量指标、配置信息等。

健康检查端点：提供应用程序的健康状态。健康检查端点可以检查应用程序的各个组件是否正常运行。
度量指标收集：收集应用程序的性能指标。度量指标可以用于监控应用程序的性能和资源使用情况。
自定义Endpoint开发：自定义端点来满足特定的监控需求。自定义端点可以扩展Actuator的功能，提供更丰富的监控信息。

配置文件管理

Spring Boot支持多环境配置，可以通过配置文件来区分不同环境。Spring Boot支持多种配置文件格式，如properties、yaml等。

多环境配置（application-{profile}.yml）：为不同环境创建不同的配置文件。例如，可以为开发环境创建application-dev.yml，为生产环境创建application-prod.yml。
配置加载优先级：根据配置文件的优先级加载配置。Spring Boot会按照配置文件的优先级从高到低加载配置。
动态配置刷新：支持动态刷新配置，无需重启应用程序。动态配置刷新可以通过Spring Cloud Config等工具实现。

监控与日志

Spring Boot提供了多种监控和日志解决方案。

Micrometer集成：集成Micrometer，支持多种监控工具。Micrometer是一个监控度量指标的工具，支持多种监控后端，如Prometheus、Graphite等。
Logback/SLF4J配置：配置Logback或SLF4J作为日志框架。Logback和SLF4J是Java日志框架，可以用于记录应用程序的日志信息。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，可以帮助开发者追踪跨服务调用的过程。分布式链路追踪可以通过Spring Cloud Sleuth等工具实现。

自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点：自定义Bean的生命周期扩展点。通过自定义Bean的生命周期扩展点，可以实现对分布式链路追踪的定制化配置。
响应式编程支持：支持响应式编程，提高应用程序的性能。响应式编程可以用于实现异步编程，提高应用程序的响应速度和可扩展性。

通过以上对JVM和Spring Boot知识体系的详细解析，我们可以更好地理解这两个框架的工作原理和设计理念，从而在实际开发中更好地应用它们。

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