JVM/Spring Boot详解

📕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知识体系详解

类加载机制

Java虚拟机（JVM）的类加载机制是确保Java代码能够在运行时正确执行的关键。这个机制负责将编译好的.class文件加载到JVM中，并解析成JVM可以理解的格式。类加载过程涉及以下几个方面：

1. 加载：类加载器负责从文件系统或网络中找到.class文件，并将其读入JVM。这个过程涉及到类加载器的选择和实现，例如，Bootstrap ClassLoader、Extension ClassLoader和Application ClassLoader。Bootstrap ClassLoader负责加载JVM启动类路径（Bootstrapclasspath）中的类，如rt.jar中的类。Extension ClassLoader负责加载扩展类路径（extclasspath）中的类，而Application ClassLoader负责加载应用程序类路径（classpath）中的类。

2. 连接：连接过程包括三个子过程：

   • 验证：确保加载的.class文件符合JVM规范，没有安全问题和逻辑错误。
   • 准备：为类变量分配内存，并设置默认初始值。
   • 解析：将符号引用转换为直接引用，即解析类、接口、字段和方法的符号引用到它们在内存中的表示。

3. 初始化：初始化过程是执行类构造器<clinit>()方法的过程，它负责初始化类变量，设置类静态初始化器中定义的初始值，并执行静态代码块。

双亲委派模型

双亲委派模型是JVM中类加载器的工作方式，它要求类加载器首先委托其父类加载器来加载类，只有当父类加载器无法完成加载任务时，才由自己尝试加载。这种模型确保了类的一致性，避免了类名冲突，并且简化了类加载器的实现。

自定义类加载器

在特定场景下，如实现特定协议的文件加载或热部署时，可能需要自定义类加载器。自定义类加载器可以继承ClassLoader类或实现ClassLoader接口，并重写findClass方法来指定类的加载逻辑。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一个模块化系统，它通过将应用程序分解成多个模块来提高性能和可维护性。每个模块都可以包含自己的类、资源和服务，并且模块之间通过模块间协议进行交互。

内存模型

JVM的内存模型由以下几个区域组成：

1. 堆：这是Java对象的主要存储区域，几乎所有的对象实例和数组都在这里分配内存。
2. 栈：每个线程都有自己的栈，用于存储局部变量和方法参数。
3. 方法区：存储类信息、常量、静态变量等数据。
4. PC寄存器：每个线程都有自己的PC寄存器，用于指向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，可能由以下原因引起：

• 创建大对象：如创建非常大的数组或单个对象。
• 循环引用：两个对象互相引用，导致垃圾回收器无法回收它们。
• 长时间存活的对象：如缓存中的对象。

垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动管理内存的一种机制。它通过识别不可达对象来回收内存，从而避免内存溢出。GC过程通常包括以下步骤：

1. 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。
2. 分代收集理论：将对象分为新生代和老年代，新生代采用复制算法，老年代采用标记-清除或标记-整理算法。
3. 引用类型：Java中的引用类型包括强引用、软引用、弱引用和虚引用，它们对对象的生命周期有不同的影响。

垃圾回收算法

JVM中常用的垃圾回收算法包括：

1. 标记-清除：标记所有可达对象，清除不可达对象。
2. 复制：将对象分为两块，每次只使用其中一块，当一块满时复制到另一块。
3. 整理：移动存活对象，整理内存空间。

并发收集器

JVM提供了多种并发收集器，如CMS（Concurrent Mark Sweep）、G1（Garbage-First）和ZGC（Z Garbage Collector），它们在不同的场景下提供不同的性能和延迟特性。

停顿时间控制策略

为了控制停顿时间，JVM提供了多种策略，如调整堆大小、使用不同的收集器等。

性能调优

性能调优通常涉及到JVM参数配置和内存泄漏诊断。通过调整JVM参数（如堆大小、垃圾回收策略等）和利用内存泄漏诊断工具，可以优化JVM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根据项目依赖自动配置Bean，极大简化了Spring应用的配置。它通过扫描类路径下的jar包，查找带有@Conditional注解的类，并判断是否满足条件来实现自动配置。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解的工作原理是利用Spring的@Import机制。当注解应用于一个配置类时，Spring会查找所有带有@ConditionalOnClass、@ConditionalOnBean等注解的类，并将它们导入到配置类中。如果这些类满足条件，则对应的Bean会被自动配置。

条件化配置（@Conditional）

条件化配置允许在满足特定条件时才创建Bean。例如，可以使用@ConditionalOnMissingBean注解来确保某个Bean在类路径中不存在时才创建。

自定义Starter开发

自定义Starter可以帮助开发者简化项目的依赖管理。要创建自定义Starter，需要创建一个包含所有依赖的jar包，并在pom.xml文件中添加相应的依赖。

起步依赖

起步依赖包含了Spring Boot的核心库和常见依赖，方便用户快速构建项目。用户可以通过添加起步依赖来简化项目配置。

依赖管理机制

使用BOM（Bill of Materials）文件可以管理依赖版本，解决版本冲突。BOM文件定义了项目中所有依赖的版本，确保了项目的一致性。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式，如依赖注入、事件驱动等。用户可以通过添加依赖和配置来实现第三方库的集成。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了一系列端点，用于监控和管理Spring Boot应用程序。这些端点包括健康检查端点、度量指标收集端点等。

配置文件管理

Spring Boot支持多环境配置，如开发、测试和生产环境。通过配置文件名来区分不同环境，如application-dev.yml、application-prod.yml。

监控与日志

Spring Boot集成了Micrometer来监控应用程序，并支持Logback/SLF4J作为日志框架。用户可以通过配置文件来调整日志级别和输出格式。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin、Jaeger等。这些工具可以帮助开发者追踪跨服务调用的执行路径。

扩展机制

Spring Boot提供了多种扩展机制，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，如WebFlux框架。响应式编程可以帮助开发者构建高并发的应用程序。

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和应用这两项技术，为构建高性能、可扩展的Java应用奠定基础。

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