Java JVM深度解析

📕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）的类加载机制是实现Java动态性、跨平台特性的核心机制之一。在Java程序运行过程中，类加载器负责将类定义从文件系统或网络中读取到JVM中，并为之生成一个Class对象，该对象封装了类的所有信息。

类加载过程

类加载过程主要分为三个阶段：加载、连接和初始化。

1. 加载：类加载器通过读取.class文件，创建一个Class对象。这个过程涉及到以下步骤：

   • 查找并读取.class文件：根据类名，从类路径（Classpath）中查找并读取.class文件。
   • 解析类名到二进制符号：将类名字符串解析为二进制符号表示。

2. 连接：连接阶段负责将类的二进制表示转换为运行时的运行时数据结构。这一阶段分为三个子阶段：

   • 验证：确保.class文件的有效性，例如检查符号引用的准确性。
   • 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。

3. 初始化：初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程，完成类的初始化。

双亲委派模型

双亲委派模型是JVM中类加载器的工作模式。在这种模式下，当一个类需要被加载时，JVM会首先请求父类加载器进行加载。只有当父类加载器无法完成加载时，才会由子类加载器尝试加载。

自定义类加载器

自定义类加载器允许开发者根据需要定制类加载过程，这在实现一些特殊功能时非常有用，例如模块化系统、热部署等。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的模块化系统，它将应用程序和库分解成独立的模块，提高了系统性能和安全性。JPMS通过模块描述文件（Module-info.java）来定义模块的依赖关系，并使用模块路径（Modulepath）来指定模块的查找位置。

内存模型

JVM的内存模型包括运行时数据区和PC寄存器。

1. 运行时数据区：

   • 堆：存储所有类实例和数组的对象。
   • 栈：存储局部变量和方法调用。
   • 方法区：存储类信息、常量、静态变量等。
   • PC寄存器：存储当前线程所执行的指令地址。

2. PC寄存器：程序计数器，用于指示下一条要执行的指令地址。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在堆空间不足时，可能由于以下原因：

• 创建的对象过多。
• 长期占用内存的对象未释放。
• 堆空间配置过小。

直接内存管理

直接内存管理允许JVM直接在本地内存中分配内存，不受堆空间的限制。这种内存分配方式可以提高程序的性能，但需要开发者手动管理内存的分配和释放。

垃圾回收

垃圾回收是JVM自动内存管理的一部分，它通过回收不再使用的对象来释放内存。垃圾回收算法主要有以下几种：

1. 标记-清除：标记所有可达对象，清除未标记对象。
2. 复制：将对象复制到另一块空间，然后清空原空间。
3. 整理：移动存活对象，清理碎片。

并发收集器

并发收集器可以减少垃圾回收时的停顿时间，提高应用程序的性能。常见的并发收集器有：

1. CMS（Concurrent Mark Sweep）：一种并发标记清除收集器。
2. G1（Garbage-First）：一种基于区域划分的收集器。
3. ZGC（Z Garbage Collector）：一种低延迟的垃圾收集器。

停顿时间控制策略

JVM提供了多种策略来控制垃圾回收的停顿时间，如G1的停顿时间目标（STW）。

性能调优

JVM性能调优涉及调整JVM参数，如堆大小（Xms/Xmx）、垃圾回收策略等。性能调优需要根据应用程序的实际情况进行，以获得最佳的性能表现。

内存泄漏诊断

内存泄漏是指程序中已经无法访问的对象仍然占用内存。诊断内存泄漏通常需要使用专门的工具，例如Java Mission Control（JMC）和VisualVM。

JIT编译优化

JIT编译器是JVM的一部分，它将字节码编译成本地机器码，以提高程序执行效率。JIT编译优化包括方法内联、循环展开、栈分配优化等。

Spring Boot知识体系

自动配置

Spring Boot通过自动配置功能简化了Spring应用的配置过程。自动配置的核心是@EnableAutoConfiguration注解，它通过类路径中的条件注解来激活相应的自动配置类。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解的工作原理如下：

• 在启动应用程序时，Spring Boot会扫描类路径下的所有配置类，并判断哪些配置类需要被激活。
• 对于每个需要被激活的配置类，Spring Boot会根据条件注解（如@ConditionalOnClass、@ConditionalOnMissingBean等）进行判断，决定是否创建对应的Bean。
• 最后，Spring Boot会根据激活的配置类创建相应的Bean，从而实现自动配置。

条件化配置（@Conditional）

条件化配置允许基于特定的条件来启用或禁用配置。常见的条件注解包括：

• @ConditionalOnClass：当类路径下存在指定的类时，启用配置。
• @ConditionalOnMissingClass：当类路径下不存在指定的类时，启用配置。
• @ConditionalOnBean：当存在指定的Bean时，启用配置。
• @ConditionalOnMissingBean：当不存在指定的Bean时，启用配置。

自定义Starter开发

自定义Starter可以简化依赖管理，并允许其他开发者通过添加依赖来使用你的库。自定义Starter的开发步骤如下：

1. 创建一个新的Maven项目。
2. 添加Spring Boot Starter的依赖。
3. 添加自定义配置类，并使用@Condition注解来指定自动配置的条件。
4. 打包并发布自定义Starter。

起步依赖

起步依赖是Spring Boot项目的一部分，它包含了构建和运行应用程序所需的所有依赖。通过添加起步依赖，可以简化依赖管理，并确保所有依赖的版本兼容。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM（Bill of Materials）文件用于管理依赖的版本，确保项目中的所有依赖都使用相同的版本。BOM文件本身不包含实际的依赖，而是通过引用其他依赖的BOM文件来实现版本管理。

版本冲突解决

版本冲突是依赖管理中的常见问题，可以通过以下方法解决：

• 使用兼容版本。
• 使用依赖管理工具，如Maven或Gradle的依赖冲突解决插件。
• 修改依赖的传递性。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库的集成模式，包括自动配置、配置属性等。以下是一些常见的集成模式：

• 自动配置：通过自动配置类实现第三方库的集成。
• 配置属性：通过配置文件或环境变量设置第三方库的配置参数。
• 注解驱动：通过注解实现第三方库的集成。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了一系列端点，用于监控和管理应用程序。以下是一些常见的Actuator端点：

• 健康检查端点：用于检查应用程序的健康状态。
• 度量指标收集端点：用于收集应用程序的性能指标。
• 自定义Endpoint开发：允许开发者创建自定义端点。

配置文件管理

Spring Boot使用配置文件来管理应用程序的配置，支持多环境配置。配置文件包括以下几种：

• application.yml：应用程序的默认配置。
• application-{profile}.yml：特定环境的配置。
• bootstrap.yml：启动时优先加载的配置。

监控与日志

Spring Boot提供了多种监控和日志解决方案，如Micrometer和Logback/SLF4J。以下是一些常见的监控和日志解决方案：

• Micrometer：用于度量指标收集。
• Logback/SLF4J：用于日志记录。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin和Jaeger。分布式链路追踪可以帮助开发者追踪分布式系统中的请求流程，并分析性能瓶颈。

扩展机制

Spring Boot提供了多种扩展机制，如自定义AutoConfigurationBean和生命周期扩展点。通过这些扩展机制，可以定制Spring Boot的行为，以适应特定的需求。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，允许开发者使用Reactor等库来编写异步、非阻塞的代码。响应式编程可以提高应用程序的并发性能，并减少资源消耗。

通过以上知识点的串联，我们可以看到JVM和Spring Boot是如何相互关联并共同构成现代Java应用程序的基石。从JVM的类加载机制和内存模型，到Spring Boot的自动配置和响应式编程支持，每一个知识点都是构建高效、可扩展应用程序的关键。通过深入理解这些知识点，开发者可以更好地优化应用程序的性能和可维护性。

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