JVM & Spring Boot核心揭秘

📕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。

🌾阅读前，快速浏览目录和章节概览可帮助了解文章结构、内容和作者的重点。了解自己希望从中获得什么样的知识或经验是非常重要的。建议在阅读时做笔记、思考问题、自我提问，以加深理解和吸收知识。阅读结束后，反思和总结所学内容，并尝试应用到现实中，有助于深化理解和应用知识。与朋友或同事分享所读内容，讨论细节并获得反馈，也有助于加深对知识的理解和吸收。💡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。

一、JVM知识体系

JVM（Java虚拟机）是Java语言运行的核心，它负责将Java代码编译成字节码，并在运行时管理内存、执行字节码等。下面我们将深入探讨JVM的知识体系，并补充其技术实现细节。

类加载机制

类加载机制是JVM的核心机制之一，它负责将类定义从文件系统或网络中加载到JVM中，并为之创建相应的运行时数据结构。

类加载过程

类加载过程分为三个阶段：加载、连接和初始化。

1. 加载：加载阶段负责查找并加载指定的类或接口的.class文件。在这一阶段，JVM会使用类加载器（Class Loader）完成类的加载。类加载器可以是启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）、扩展类加载器（Extension ClassLoader）和应用类加载器（Application ClassLoader）。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Java平台标准扩展库，应用类加载器负责加载应用程序的类。

2. 连接：连接阶段包括验证、准备和解析三个子阶段。

   • 验证：验证阶段确保类文件信息符合JVM规范，不含有任何安全风险。验证过程包括字节码验证、符号引用验证和类型安全验证。
   • 准备：准备阶段为类变量分配内存并设置默认初始值。类变量是类级别的变量，如静态变量。
   • 解析：解析阶段将符号引用转换为直接引用，如将类名、字段名、方法名等符号引用转换为指向方法的指针。

3. 初始化：初始化阶段是执行类构造器 ()方法的过程，该方法由编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态代码块中的语句合并产生的。

双亲委派模型

双亲委派模型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某个类时，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。这种模型有助于避免类的重复加载，并保证了类型的安全。

自定义类加载器

自定义类加载器允许开发者根据需要控制类的加载过程，例如实现热插拔、模块化系统等。开发者可以通过继承抽象类ClassLoader或实现ClassLoading接口来创建自定义类加载器。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一种模块化系统，它通过模块来组织代码，提供了一种更灵活和安全的类加载机制。模块是代码的封装单位，它包含了一组类和资源，并定义了模块间的依赖关系。

内存模型

JVM的内存模型包括运行时数据区和PC寄存器。

运行时数据区

运行时数据区包括以下部分：

1. 堆：堆是所有线程共享的内存区域，用于存放几乎所有的对象实例和数组的实例。堆的大小通常由JVM启动参数-Xmx和-Xms指定。

2. 栈：每个线程拥有自己的栈空间，用于存放线程的局部变量和方法调用。栈的大小由JVM启动参数-Xss指定。

3. 方法区：方法区用于存放已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据。方法区的大小由JVM启动参数-XX:MaxPermSize或-XX:MaxMetaspaceSize指定。

4. PC寄存器：每个线程都有一个程序计数器，用于指示下一条要执行的指令。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在堆空间不足时，常见场景包括：

1. 创建大量对象：如果应用程序创建的对象数量超过堆空间大小，就会发生内存溢出。
2. 长期持有大对象：如果应用程序持有大量大对象且不释放，就会导致堆空间不足。
3. 循环引用：循环引用会导致垃圾回收器无法回收对象，从而消耗大量内存。

直接内存管理

直接内存是JVM堆空间之外的内存区域，用于存储大对象或频繁访问的数据，可以减少GC压力。直接内存的管理由java.nio包中的ByteBuffer类提供。

垃圾回收

垃圾回收是JVM自动管理内存的重要机制，它通过回收不再使用的对象来释放内存。垃圾回收算法包括标记-清除、复制、整理等。

GC Roots可达性分析

GC Roots是指从根节点开始，可以访问到所有活动的对象。GC Roots可达性分析是垃圾回收的基础，它通过遍历GC Roots来找到所有可达对象。

分代收集理论（Young/Old区）

分代收集理论将堆内存分为新生代（Young）和老年代（Old），针对不同代的特点采用不同的回收策略。新生代用于存放新创建的对象，老年代用于存放存活时间较长的对象。

引用类型（强/软/弱/虚）

引用类型决定了对象的生命周期，强引用是最常见的引用类型，软引用、弱引用和虚引用则具有不同的生命周期特性。

垃圾回收算法

常见的垃圾回收算法包括：

1. 标记-清除：标记所有可达对象，清除未标记对象。
2. 复制：将对象复制到另一个区域，然后清除原区域。
3. 整理：将存活对象移动到堆的一端，释放另一端空间。

并发收集器（CMS/G1/ZGC）

并发收集器允许在应用程序运行时进行垃圾回收，减少停顿时间。常见的并发收集器包括CMS、G1和ZGC。

停顿时间控制策略

停顿时间控制策略旨在减少垃圾回收造成的停顿时间，例如G1收集器的并发标记阶段。

性能调优

JVM性能调优包括JVM参数配置、内存泄漏诊断和JIT编译优化等。

二、Spring Boot知识体系

Spring Boot是Spring框架的一个子项目，它简化了Spring应用的创建和配置过程。

自动配置

Spring Boot的自动配置功能可以自动配置Spring应用，无需手动编写大量的配置代码。自动配置的实现依赖于条件化配置。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解是Spring Boot自动配置的核心，它通过条件化配置来实现自动配置。当Spring Boot启动时，它会自动扫描所有可用的Bean定义，并根据条件化配置规则判断是否需要启用某些配置。

条件化配置（@Conditional）

条件化配置允许根据特定的条件来启用或禁用某些配置。条件化配置的实现依赖于@Conditional注解及其各种子注解，如@ConditionalOnClass、@ConditionalOnMissingBean等。

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。开发者可以通过创建一个Maven项目，将所需的依赖项打包在一起，并使用Spring Boot的start-class属性指定启动类。

起步依赖

起步依赖是Spring Boot的核心概念，它将所有必要的依赖项打包在一起，简化了依赖管理。起步依赖通过Maven或Gradle的方式实现。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM（Bill of Materials）文件用于管理依赖项的版本，确保项目的一致性。BOM文件定义了所有依赖项的版本，并确保在构建过程中使用的是正确的版本。

版本冲突解决

版本冲突是依赖管理中常见的问题，Spring Boot通过依赖管理机制来解决版本冲突。Spring Boot使用“依赖管理策略”来确保依赖项的版本兼容性。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式，例如声明式集成、编程式集成等。声明式集成通过注解和配置文件实现，编程式集成则通过编程方式实现。

Actuator

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

健康检查端点

健康检查端点可以检查应用的健康状态，例如内存使用情况、线程状态等。

度量指标收集

度量指标收集可以收集应用的各种性能数据，例如响应时间、错误率等。

自定义Endpoint开发

自定义Endpoint可以扩展Actuator的功能，满足特定的监控需求。

配置文件管理

Spring Boot支持多环境配置，通过配置文件（application-{profile}.yml）来管理不同环境下的配置。配置文件可以包含各种配置信息，如数据库连接信息、日志配置等。

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，确保配置的正确性。Spring Boot默认按照以下顺序加载配置文件：bootstrap.properties、bootstrap.yml、application.properties、application.yml。

动态配置刷新

动态配置刷新允许在应用运行时更新配置，无需重启应用。动态配置刷新的实现依赖于Spring Cloud Config等工具。

监控与日志

Spring Boot支持多种监控和日志框架，例如Micrometer、Logback/SLF4J等。

分布式链路追踪

分布式链路追踪可以帮助开发者追踪分布式应用的请求路径，例如Zipkin、Jaeger等。

扩展机制

Spring Boot提供了一系列扩展机制，例如自定义AutoConfigurationBean、生命周期扩展点等。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，例如Spring WebFlux等。

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开发中的重要性。JVM负责Java代码的运行时环境，而Spring Boot则简化了Spring应用的创建和配置过程。两者相互配合，为Java开发者提供了强大的开发工具和平台。

📥博主的人生感悟和目标

希望各位读者大大多多支持用心写文章的博主，现在时代变了，信息爆炸，酒香也怕巷子深，博主真的需要大家的帮助才能在这片海洋中继续发光发热，所以，赶紧动动你的小手，点波关注❤️，点波赞👍，点波收藏⭐，甚至点波评论✍️，都是对博主最好的支持和鼓励！

- 💂 博客主页： Java程序员廖志伟
- 👉 开源项目： Java程序员廖志伟
- 🌥 哔哩哔哩： Java程序员廖志伟
- 🎏 个人社区： Java程序员廖志伟
- 🔖 个人微信号： SeniorRD

📙经过多年在优快云创作上千篇文章的经验积累，我已经拥有了不错的写作技巧。同时，我还与清华大学出版社签下了四本书籍的合约，并将陆续出版。这些书籍包括了基础篇、进阶篇、架构篇的📌《Java项目实战—深入理解大型互联网企业通用技术》📌，以及📚《解密程序员的思维密码--沟通、演讲、思考的实践》📚。具体出版计划会根据实际情况进行调整，希望各位读者朋友能够多多支持！

🔔如果您需要转载或者搬运这篇文章的话，非常欢迎您私信我哦~