JVM与Spring Boot核心解析

📕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

Java虚拟机（JVM）的类加载机制是Java运行时环境的核心之一，其设计巧妙地保证了类型安全，同时提供了灵活性和扩展性。在类加载过程中，JVM内部机制与外部环境交互，确保每个类只被加载一次。

类加载过程

1. 加载：类加载器通过类名找到对应的.class文件，将其读取到JVM内存中，并创建一个Class对象。加载过程涉及以下步骤：

   • 查找类定义：类加载器首先在系统类路径（Classpath）中查找类定义文件，如果未找到，则尝试从网络或其他位置加载。
   • 文件解析：将.class文件的内容解析成二进制数据。
   • 创建Class对象：基于解析后的二进制数据创建Class对象，并存储在方法区中。

2. 连接：连接阶段包括验证、准备和解析三个子阶段。

   • 验证：确保类文件的字节码结构符合JVM规范，无安全风险。
   • 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，如将方法、字段的符号引用转换为指向内存中方法的指针。

3. 初始化：初始化阶段为类的静态变量赋值，执行静态代码块。

双亲委派模型

双亲委派模型是一种类加载器策略，它要求除了顶层的启动类加载器外，其余类加载器都应当有自己的父类加载器。这种模型保证了类型的一致性和安全性。

• 启动类加载器：负责加载rt.jar等核心库。
• 扩展类加载器：负责加载JVM扩展库。
• 应用程序类加载器：负责加载应用程序中的类。

自定义类加载器

开发者可以通过继承ClassLoader类或实现ClassLoader接口来创建自定义类加载器，实现更复杂的类加载逻辑，如热部署、代码混淆等。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的模块化系统，它通过模块来组织代码，提高了系统的可维护性和性能。模块化系统定义了模块的依赖关系，实现了模块之间的隔离和安全性。

内存模型

JVM的内存模型是JVM运行时的基础，它包括多个区域，每个区域负责不同的功能。

运行时数据区

1. 堆：堆是所有线程共享的区域，用于存放对象实例和数组。垃圾回收主要发生在堆上。
2. 栈：栈是线程私有的区域，用于存储局部变量、操作数栈、方法出口等信息。栈空间有限，溢出时会导致StackOverflowError。
3. 方法区：方法区是所有线程共享的区域，用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据。方法区溢出会导致OutOfMemoryError。
4. PC寄存器：PC寄存器是线程私有的，用于指示当前线程所执行的字节码指令的地址。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在堆空间不足时，可能的原因包括：

• 对象创建过多，如大量短生命周期的对象。
• 对象生命周期过长，如静态对象持有大量资源。
• 内存泄漏，如未释放的数据库连接、文件句柄等。

直接内存管理

直接内存管理是JVM中用于分配非堆内存的机制，它可以减少在堆上分配内存的开销，但不受垃圾回收器管理，需要手动释放。

垃圾回收

垃圾回收是JVM自动管理内存的重要机制，它可以回收不再使用的对象占用的内存。垃圾回收算法主要包括以下几种：

• 标记-清除：标记所有可达对象，清除不可达对象。
• 复制：将对象复制到另一个区域，清除原区域的对象。
• 整理：将存活对象移动到内存的一端，清理掉内存的另一端。

GC Roots可达性分析

GC Roots是垃圾回收的起点，通过分析GC Roots可达性来确定哪些对象是可以被回收的。GC Roots主要包括：

• 栈中的变量引用的对象。
• 方法区中的常量引用的对象。
• 本地方法栈中的引用。

分代收集理论

JVM将内存分为年轻代（Young）和老年代（Old），分别采用不同的垃圾回收策略。年轻代采用复制算法，老年代采用标记-清除或标记-整理算法。

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，它们分别对应不同的内存回收策略。

• 强引用：默认的引用类型，不会被垃圾回收器回收。
• 软引用：可以被子类覆盖，用于缓存，当内存不足时可以被垃圾回收器回收。
• 弱引用：可以被子类覆盖，用于缓存，当垃圾回收器执行时，会回收所有弱引用指向的对象。
• 虚引用：没有任何实际引用，当垃圾回收器执行时，会回收所有虚引用指向的对象。

垃圾回收算法

• 标记-清除：标记所有可达对象，清除不可达对象。
• 复制：将对象复制到另一个区域，清除原区域的对象。
• 整理：将存活对象移动到内存的一端，清理掉内存的另一端。

并发收集器

• CMS（Concurrent Mark Sweep）：一种以降低停顿时间为目标的并发收集器，适用于对响应时间要求较高的应用程序。
• G1（Garbage-First）：一种以降低停顿时间为目标的并发收集器，适用于大内存的应用程序。
• ZGC（Z Garbage Collector）：一种以降低停顿时间为目标的并发收集器，适用于多核处理器。

停顿时间控制策略

JVM提供了多种停顿时间控制策略，如G1的停顿时间目标（STW），可以调整垃圾回收器的行为，以满足不同的性能需求。

性能调优

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

二、Spring Boot知识体系

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Spring框架的各种组件，极大地简化了Spring应用的配置过程。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解通过扫描类路径下的jar包，根据类名和配置文件中的内容自动配置相应的Bean。具体实现如下：

• 扫描所有带有@Configuration注解的类。
• 从这些类中收集带有@Bean注解的方法，并将返回值注册为Bean。
• 根据项目依赖自动选择合适的Bean进行注册。

条件化配置（@Conditional）

@Conditional注解可以用来实现条件化的配置，根据特定的条件来决定是否配置某个Bean。例如，当项目依赖了某个库时，才配置对应的Bean。

自定义Starter开发

通过创建一个Maven项目，添加必要的依赖和配置，可以开发自己的Spring Boot Starter。自定义Starter可以提供更便捷的依赖管理和自动配置功能。

起步依赖

起步依赖是Spring Boot提供的简化项目构建的依赖管理机制。它将多个依赖组合在一起，简化了项目配置。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM（Bill of Materials）文件用于统一管理项目的依赖版本，确保不同项目的依赖版本一致。

版本冲突解决

通过依赖排除、依赖覆盖等方式解决版本冲突。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库的集成模式，如自动配置、手动配置等。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了丰富的端点，用于监控和管理Spring Boot应用程序。

健康检查端点

健康检查端点可以用来检查应用程序的健康状态，如HTTP请求/actuator/health。

度量指标收集

度量指标收集可以用来收集应用程序的性能数据，如内存使用情况、请求处理时间等。

自定义Endpoint开发

可以通过实现Endpoint接口来开发自定义的端点，提供更丰富的监控和管理功能。

配置文件管理

Spring Boot支持多种配置文件格式，如application.properties和application.yml。

多环境配置

Spring Boot支持多环境配置，通过在配置文件名中添加环境标识（如application-dev.yml）来实现。

配置加载优先级

配置加载优先级可以通过配置文件的位置和配置文件的优先级来控制。

动态配置刷新

Spring Boot支持动态刷新配置，以便在运行时更新配置。

监控与日志

Spring Boot提供了多种监控和日志解决方案。

Micrometer集成

Micrometer是一个度量指标收集库，可以与Spring Boot集成，支持多种度量指标收集器。

Logback/SLF4J配置

Spring Boot默认使用Logback作为日志框架，也可以配置使用SLF4J。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin、Jaeger等，可以帮助开发者定位分布式系统中的问题。

自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点

可以通过实现BeanPostProcessor接口来扩展Bean的生命周期，例如，在Bean创建后执行某些操作。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，如Spring WebFlux，可以构建异步、非阻塞的Web应用程序。

通过以上对JVM和Spring Boot知识体系的深入解析，我们可以更好地理解Java运行时环境的工作原理和Spring Boot框架的核心特性。在实际开发中，结合这些知识点，我们可以构建高性能、可维护的Java应用程序。

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