JVM与Spring Boot知识体系

📕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

类加载机制

Java虚拟机（JVM）中的类加载机制是Java语言运行时的核心之一，它负责在运行时将Class文件加载到JVM中，并使之成为可以被虚拟机使用的类型。类加载机制不仅涉及到如何将类文件加载到JVM中，还包括了类的验证、准备、解析和初始化等过程。

1. 类加载过程：

   • 加载：类加载器负责查找和加载类的定义信息。这个过程涉及到类文件的定位、读取和解析。类加载器可以是启动类加载器、扩展类加载器或应用程序类加载器。
   • 验证：验证过程确保加载的类信息符合JVM规范，没有安全方面的问题。验证包括文件格式验证、字节码验证、符号引用验证等。
   • 准备：为类变量分配内存，并设置默认初始值。对于基本数据类型，初始值是0（对于布尔类型是false，对于字符类型是'\u0000'），而对于对象引用，初始值是null。
   • 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对应的Java类型或成员。

2. 双亲委派模型：

   • 在双亲委派模型中，类加载器首先请求其父类加载器进行类的加载，只有当父类加载器无法完成加载任务时，才由子类加载器尝试加载。
   • 这种模型的好处是避免类的重复加载，同时确保了类型安全，因为核心API的加载总是由启动类加载器完成的。

3. 自定义类加载器：

   • 自定义类加载器可以实现对特定类加载过程的控制，例如实现模块化或安全控制。
   • 自定义类加载器通常需要重写findClass方法，以实现类的查找和加载逻辑。

4. 模块化系统（JPMS）：

   • Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一个模块化系统，它通过模块的概念将应用程序分解为多个组件，每个模块都包含自己的类路径、资源路径和依赖关系。
   • JPMS提供了模块间的隔离、版本控制和命名空间，有助于提高系统的稳定性和性能。

内存模型

JVM的内存模型是JVM运行时的基础，它定义了JVM内存的布局和访问方式。

1. 运行时数据区：

   • 堆：堆是JVM中最大的内存区域，用于存放几乎所有的对象实例及数组的内存区域。堆内存是动态分配的，垃圾回收器主要在堆上工作。
   • 栈：栈是线程私有的内存区域，用于存放线程的运行上下文，包括局部变量表、操作数栈、方法出口等信息。栈内存是线程私有的，因此线程之间不会相互干扰。
   • 方法区：方法区用于存放已经被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据。方法区是所有线程共享的。
   • PC寄存器：PC寄存器用于存放当前线程所执行的字节码的地址。每条线程都有自己的PC寄存器，因此线程之间不会相互干扰。

2. 内存溢出场景分析：

   • 内存溢出通常发生在堆内存不足时，导致无法分配新的对象实例。常见场景包括：对象生命周期过长、循环引用、大数据处理等。
   • 解决内存溢出的方法包括：优化代码以减少内存占用、使用弱引用或软引用来处理临时对象、使用垃圾回收器进行内存回收等。

3. 直接内存管理：

   • 直接内存（Direct Memory）是JVM中一种非堆内存，用于直接访问本地内存空间。直接内存可以减少垃圾回收的开销，适用于需要频繁进行大块内存分配的场景。

垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动管理内存的重要机制，它负责回收不再使用的对象所占用的内存。

1. GC Roots可达性分析：

   • 垃圾回收器通过GC Roots进行可达性分析，确定哪些对象是存活的对象，哪些可以被回收。
   • GC Roots通常包括线程栈中的引用、方法区中的静态变量、常量池等。

2. 分代收集理论：

   • JVM将内存划分为几个区域，如Young区、Old区等，以便更高效地进行垃圾回收。
   • 不同代的回收策略和算法不同，例如，Young区使用复制算法，Old区使用标记-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，它们在垃圾回收中扮演着不同的角色。
   • 强引用是默认的引用类型，当对象被强引用时，垃圾回收器不会回收它。
   • 软引用和弱引用可以用于处理临时对象，当内存不足时，垃圾回收器可以回收它们。
   • 虚引用是最弱的一种引用，它不阻止对象被垃圾回收，但可以在对象被回收时收到通知。

4. 垃圾回收算法：

   • 标记-清除：标记所有存活的对象，然后清除未被标记的对象。
   • 复制：将所有存活的对象复制到内存的另一部分。
   • 整理：将存活的对象移动到内存的一端，清理掉不用的空间。

5. 并发收集器：

   • CMS（Concurrent Mark Sweep）：一种并发垃圾回收器，减少停顿时间。
   • G1（Garbage-First）：一种面向服务端应用的垃圾回收器，通过将堆内存分割成多个区域来提高吞吐量。
   • ZGC（Z Garbage Collector）：一种低延迟的垃圾回收器，适用于需要低延迟的Java应用。

6. 停顿时间控制策略：

   • 通过调整JVM参数，如G1的年轻代大小、CMS的并发标记周期等，来控制垃圾回收的停顿时间。

7. 性能调优：

   • 通过JVM参数配置（如-Xms、-Xmx等）和内存泄漏诊断工具，优化JVM性能。

Spring Boot知识体系

自动配置

Spring Boot通过自动配置功能简化了Java应用的开发和部署过程。

1. @EnableAutoConfiguration原理：

   • Spring Boot通过@EnableAutoConfiguration注解来启用自动配置功能。
   • 当Spring Boot启动时，它会扫描类路径下的jar包，根据jar包中的类和注解自动配置Spring应用。

2. 条件化配置（@Conditional）：

   • Spring Boot允许通过@Conditional注解来根据特定的条件启用或禁用配置。
   • 例如，可以使用@ConditionalOnClass注解来指定只有当类路径下存在某个类时才启用配置。

3. 自定义Starter开发：

   • 开发自定义Starter可以帮助其他开发者更容易地集成和使用你的库。
   • 自定义Starter通常包含一组依赖关系，这些依赖关系用于实现特定的功能。

4. 起步依赖：

   • 起步依赖（Starters）是Spring Boot提供的简化依赖管理的方式，它们将一组库组织在一起，以支持特定的功能。
   • 例如，spring-boot-starter-web提供了创建Web应用的必要依赖。

5. 依赖管理机制：

   • BOM文件：Bill of Materials（BOM）文件定义了项目的依赖关系和版本，有助于避免版本冲突。
   • 版本冲突解决：Spring Boot通过提供一致的依赖版本来解决版本冲突。

6. 第三方库集成模式：

   • Spring Boot支持多种集成第三方库的模式，如通过声明式配置或通过实现特定的接口。

Actuator

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

1. 健康检查端点：

   • Spring Boot Actuator提供健康检查端点，允许你检查应用的运行状态。
   • 你可以通过自定义健康指标来扩展健康检查功能。

2. 度量指标收集：

   • Actuator可以收集应用的各种度量指标，如内存使用情况、线程状态等。
   • 你可以使用这些指标来监控应用的性能和资源使用情况。

3. 自定义Endpoint开发：

   • 你可以通过实现Endpoint接口来自定义健康检查或其他类型的端点。

配置文件管理

Spring Boot支持多环境配置，并提供了动态配置刷新功能。

1. 多环境配置：

   • Spring Boot支持多环境配置，如通过application-{profile}.yml文件来区分不同环境的配置。
   • 你可以通过设置激活的配置文件来选择不同的配置。

2. 配置加载优先级：

   • Spring Boot按照一定的优先级加载配置文件，例如先加载application.yml，然后加载application-{profile}.yml。

3. 动态配置刷新：

   • Spring Cloud Config支持动态刷新配置，允许在不重启应用的情况下更新配置。

监控与日志

Spring Boot提供了多种监控和日志解决方案。

1. Micrometer集成：

   • Micrometer是一个指标度量库，可以与多种监控系统集成。
   • 你可以使用Micrometer来收集应用的性能指标，并将其发送到监控平台。

2. Logback/SLF4J配置：

   • Spring Boot默认使用Logback作为日志框架，也可以配置为使用SLF4J。
   • 你可以使用Logback配置文件来定义日志级别、日志格式和日志输出位置。

分布式链路追踪

Spring Boot通过集成Zipkin或其他链路追踪工具，支持分布式系统的链路追踪。

扩展机制

Spring Boot提供了多种扩展机制，以支持自定义和扩展功能。

1. 自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点：

   • Spring Boot允许通过实现特定的接口或使用特定的注解来扩展AutoConfiguration的生命周期。

2. 响应式编程支持：

   • Spring Boot 5引入了响应式编程支持，通过Reactor等库来实现非阻塞的I/O操作。

通过以上知识点的串联，我们可以看到JVM和Spring Boot在Java应用开发中的紧密联系。JVM为Java应用提供了运行时的环境和机制，而Spring Boot则通过自动配置、模块化等特性，简化了Java应用的开发和部署过程。在开发过程中，深入理解这些知识体系，有助于我们更好地利用Java生态系统中的各种工具和库，提高开发效率和代码质量。

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