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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一、JVM知识体系

类加载机制

在Java虚拟机中，类加载机制是至关重要的，它确保了类型安全、隔离性和动态性。类加载过程涉及多个步骤，每个步骤都有其特定的技术细节。

1. 类加载过程：

   • 加载：这一阶段包括加载.class文件，解析类名到二进制名称的映射，以及加载类定义信息，如类的版本号、访问权限、常量池等。
   • 验证：验证过程确保加载的.class文件符合Java虚拟机规范，没有安全风险。验证包括：文件格式验证、字节码验证、符号引用验证。
   • 准备：为类变量分配内存，设置默认初始值。这里的类变量包括静态变量和常量。
   • 解析：将符号引用（如字段、方法、接口的名称和字段的类型）替换为直接引用（如指向方法区的指针、偏移量等）。

2. 双亲委派模型：

   • 双亲委派模型是一种安全机制，防止类加载器层次结构中出现重复定义类的现象。
   • 在这个模型中，当一个类加载器请求加载一个类时，它会首先请求其父类加载器加载，只有当父类加载器无法加载该类时，才由自己来加载。

3. 自定义类加载器：

   • 用户可以通过继承java.lang.ClassLoader类或实现java.lang.ClassLoader接口来创建自定义类加载器。
   • 自定义类加载器可以用来加载特定类型的资源，例如，可以实现一个模块化系统，将应用程序拆分为多个模块。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一个重要特性，它允许开发者将应用程序拆分为多个模块，每个模块可以独立编译、打包和运行。

• 模块定义：每个模块通过module-info.java文件进行定义，该文件指定了模块的名称、所需的模块、提供的模块等。
• 模块依赖：模块之间通过声明依赖关系来相互引用。
• 模块路径：模块路径定义了JVM搜索模块定义文件的目录。

内存模型

JVM的内存模型由多个运行时数据区组成，每个数据区都有其特定的用途。

1. 堆：

   • 堆是JVM中所有线程共享的内存区域，用于存放几乎所有的对象实例。
   • 堆的内存分配和回收由垃圾回收器（GC）管理。

2. 栈：

   • 每个线程都有自己私有的栈，用于存储局部变量和方法调用。
   • 栈的内存分配和回收是自动的，并且是线程私有的。

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。
   • 方法区是所有线程共享的内存区域。

4. PC寄存器：

   • PC寄存器用于存放当前线程所执行的指令的地址。
   • 当线程开始执行时，PC寄存器的值为类的字节码指令。

内存溢出场景分析

内存溢出通常是由于程序创建的对象过多，导致JVM无法在堆内存中为这些对象分配足够的内存而引发的。

• 内存泄漏：内存泄漏是指程序中已经不再使用的对象占用了内存，但无法被垃圾回收器回收。
• 大对象分配：大对象分配是指对象的大小超过了JVM堆的内存限制。

垃圾回收

垃圾回收是JVM自动回收不再使用的内存的过程。

1. GC Roots可达性分析：

   • GC Roots是垃圾回收算法中的一个概念，它包括以下几种类型：栈中的引用变量、方法区中的静态变量、常量池中的引用等。
   • GC开始时，从GC Roots开始，向上遍历所有可达的对象，这些对象被视为存活对象。

2. 分代收集理论：

   • 分代收集理论将对象分为新生代、老年代和永久代（Java 8后为Metaspace）。
   • 新生代用于存放新创建的对象，老年代用于存放长期存活的对象。

3. 引用类型：

   • 引用类型决定了对象在内存中的存活时间。
   • 强引用是最常见的引用类型，它会导致对象永远不会被垃圾回收器回收。

4. 垃圾回收算法：

   • 标记-清除算法：是最简单的垃圾回收算法，但会导致内存碎片化。
   • 复制算法：将内存分为两个半区，每次只使用其中一个半区，当使用完毕后，将存活对象复制到另一个半区。
   • 标记-整理算法：结合了标记-清除算法和复制算法的优点，减少了内存碎片化。

5. 并发收集器：

   • CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器：是一种并发垃圾回收器，可以在应用程序运行期间进行垃圾回收。
   • G1（Garbage-First）收集器：是一种并发垃圾回收器，旨在提供可控的停顿时间。
   • ZGC（Z Garbage Collector）收集器：是一种低延迟垃圾回收器，适用于多核处理器。

6. 停顿时间控制策略：

   • 停顿时间控制策略旨在控制JVM的停顿时间，以提供更好的用户体验。
   • 这可以通过调整GC算法和参数来实现。

7. 性能调优：

   • 性能调优可以通过JVM参数配置（如Xms、Xmx等）和内存泄漏诊断来优化JVM性能。

二、Spring Boot知识体系

自动配置

Spring Boot的自动配置是基于条件化的，它会根据添加的依赖自动配置相应的Bean。

1. @EnableAutoConfiguration原理：

   • 当使用@EnableAutoConfiguration注解时，Spring Boot会扫描类路径下的jar包，根据类名、注解等信息自动配置相应的Bean。
   • 自动配置的类通常包含@Configuration、@Bean等注解。

2. 条件化配置（@Conditional）：

   • Spring Boot支持条件化配置，根据特定的条件来启用或禁用配置。
   • 条件化配置可以通过@Conditional注解实现。

3. 自定义Starter开发：

   • 开发者可以创建自定义Starter来提供自动配置功能。
   • 自定义Starter通常包含一组依赖项和一个自动配置类。

起步依赖

Spring Boot使用起步依赖来简化项目构建和依赖管理。

1. 依赖管理机制：

   • Spring Boot使用Maven或Gradle作为构建工具，通过pom.xml或build.gradle文件配置依赖。
   • Spring Boot会自动处理版本兼容性和依赖关系。

2. BOM文件：

   • Spring Boot使用BOM（Bill of Materials）文件来管理依赖版本，确保项目中的所有依赖版本一致。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库的集成模式。

1. 自动配置：

   • Spring Boot可以自动配置第三方库的Bean，例如，当添加了Spring Data JPA依赖时，Spring Boot会自动配置数据库连接和实体管理器。

2. 配置文件：

   • Spring Boot允许通过配置文件来配置第三方库的参数，例如，可以使用application.properties或application.yml文件来配置数据库连接信息。

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。

1. 健康检查端点：

   • 健康检查端点用于检查应用程序的健康状态，例如，可以通过/health端点获取应用程序的健康信息。

2. 度量指标收集：

   • 度量指标收集用于收集应用程序的性能指标，例如，可以通过/metrics端点获取应用程序的度量指标。

3. 自定义Endpoint开发：

   • 用户可以自定义Endpoint来提供额外的监控和管理功能。

配置文件管理

Spring Boot使用配置文件来管理应用程序的配置。

1. 多环境配置：

   • Spring Boot支持多环境配置，例如，可以通过application-dev.yml和application-prod.yml来分别配置开发环境和生产环境的配置。

2. 配置加载优先级：

   • Spring Boot会根据配置文件的路径和名称来决定配置的优先级。

3. 动态配置刷新：

   • Spring Boot支持动态刷新配置文件，无需重启应用程序。

监控与日志

Spring Boot提供了多种监控和日志工具。

1. Micrometer集成：

   • Micrometer是一个度量收集库，Spring Boot集成了Micrometer，支持集成多种监控工具。

2. Logback/SLF4J配置：

   • Spring Boot使用Logback作为日志记录器，可以通过logback-spring.xml文件进行配置。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，例如，可以使用Zipkin或Jaeger进行分布式链路追踪。

扩展机制

Spring Boot提供了多种扩展机制。

1. 自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点：

   • 用户可以自定义Bean的生命周期，例如，可以实现一个BeanPostProcessor来在Bean创建前后执行特定的逻辑。

2. 响应式编程支持：

   • Spring Boot支持响应式编程，例如，可以使用Spring WebFlux来实现非阻塞的Web应用程序。

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