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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JVM知识体系

类加载机制

Java虚拟机（JVM）中的类加载机制是确保Java代码能够正确执行的关键，它负责将.class文件转换成JVM能够识别的字节码，并加载到内存中。这一过程涉及到复杂的类加载器机制和初始化策略。

类加载过程：

1. 加载：类加载器首先读取类文件（.class文件），并加载到JVM中。这一过程包括读取二进制数据，并创建类的Class对象。
2. 验证：验证类文件是否符合JVM规范，包括字节码验证、符号引用验证等，确保类的正确性。
3. 准备：为类变量分配内存，并设置默认初始值。
4. 解析：将符号引用转换为直接引用，如将类、接口、字段和方法的符号引用转换为直接引用。
5. 初始化：执行类的初始化代码，包括静态初始化器和静态变量的赋值动作。

双亲委派模型：

双亲委派模型是Java类加载机制的核心，它规定了类加载器的委派顺序。在双亲委派模型中，除了顶层的启动类加载器外，其他类加载器都先委派给父类加载器进行加载，只有当父类加载器无法完成类加载时，才由自己加载。

自定义类加载器：

自定义类加载器允许开发者实现特定的类加载逻辑，例如实现热部署功能，或者加载非标准格式的类文件。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的模块化系统，它通过模块化的方式组织代码，提高了代码的可维护性和可扩展性。

模块定义：

每个模块都通过一个模块描述文件（module-info.java）来定义，其中包括模块的名称、所需模块、导出模块等。

模块间依赖：

模块间通过模块描述文件中的依赖关系来声明依赖，JVM在运行时会根据这些依赖关系来加载所需的模块。

内存模型

JVM的内存模型定义了JVM内存的组成和访问方式，它主要包括以下几个部分：

• 堆：所有线程共享的内存区域，用于存放几乎所有的对象实例和数组的元素。堆空间的分配和回收由垃圾回收器（GC）管理。
• 栈：每个线程拥有自己的栈，用于存放线程执行的字节码和局部变量。栈空间在创建线程时就已经分配好，线程生命周期结束时释放。
• 方法区：存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据。方法区空间在JVM启动时分配，生命周期与JVM相同。
• PC寄存器：每个线程都有一个程序计数器，用于指示下一条要执行的指令。

内存溢出场景分析

内存溢出是指程序在运行过程中消耗了过多的内存，导致JVM无法分配更多内存。常见的内存溢出场景包括：

• 堆溢出：由于创建了过多的对象，导致堆空间不足。
• 栈溢出：由于递归调用过深，导致栈空间不足。
• 方法区溢出：由于加载了过多的类，导致方法区空间不足。

垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动管理内存的一种机制，用于回收不再使用的对象占用的内存。

GC Roots可达性分析：

GC通过分析GC Roots，找到所有可达对象，不可达对象将视为垃圾对象，并回收其占用的内存。

分代收集理论：

JVM将内存分为不同的区域，如Young区、Old区等，不同的区域采用不同的回收策略。

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。

垃圾回收算法：

• 标记-清除：分为标记和清除两个阶段，标记可达对象，清除不可达对象。
• 复制：将内存分为两个相等的区域，每次只使用其中一个区域，当该区域满时，将存活的对象复制到另一个区域，并清空原区域。
• 整理：类似于复制算法，但会移动对象，以减少内存碎片。

并发收集器：

• CMS：并发标记清除收集器，适用于响应时间敏感的场景。
• G1：Garbage-First收集器，适用于大内存的场景。
• ZGC：Z Garbage Collector，适用于多核处理器和大内存的场景。

停顿时间控制策略

JVM提供了多种停顿时间控制策略，如G1的并发标记和并发清理阶段。

性能调优

JVM性能调优包括JVM参数配置、内存泄漏诊断和JIT编译优化等方面。

Spring Boot知识体系

自动配置

Spring Boot的自动配置是基于条件化配置的，通过分析项目依赖和配置文件，自动配置Spring应用程序。

@EnableAutoConfiguration原理：

Spring Boot通过@EnableAutoConfiguration注解启用自动配置，该注解通过类路径扫描和条件化配置，自动配置相应的Bean。

条件化配置（@Conditional）：

条件化配置允许在满足特定条件时才进行配置，例如@ConditionalOnClass、@ConditionalOnMissingBean等。

自定义Starter开发：

自定义Starter可以帮助开发者将第三方库集成到Spring Boot项目中。

起步依赖

Spring Boot的起步依赖是通过Maven或Gradle配置的，它包含了一系列依赖项，简化了项目的依赖管理。

依赖管理机制（BOM文件）：

Spring Boot使用BOM（Bill of Materials）文件来管理依赖项的版本，确保项目中的依赖项版本一致性。

版本冲突解决：

在多模块项目中，版本冲突是一个常见问题。Spring Boot通过依赖树分析来解决版本冲突。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式，如SPI、JPA、MyBatis等。

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。

健康检查端点：

健康检查端点可以检查应用程序的健康状态，例如HTTP端点/health。

度量指标收集：

Actuator可以收集应用程序的度量指标，例如内存使用情况、线程状态等。

自定义Endpoint开发：

开发者可以自定义Endpoint来扩展Actuator的功能。

配置文件管理

Spring Boot使用配置文件来管理应用程序的配置，支持多环境配置。

多环境配置（application-{profile}.yml）：

Spring Boot支持多环境配置，通过配置文件名称来区分不同的环境。

配置加载优先级：

Spring Boot按照优先级加载配置文件，优先级从高到低为：命令行参数 > 配置文件 > 启动器默认配置。

动态配置刷新：

Spring Boot支持动态刷新配置，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解决方案。

Micrometer集成：

Micrometer是一个度量指标库，可以与多种监控系统集成。

Logback/SLF4J配置：

Spring Boot支持Logback和SLF4J作为日志框架。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，例如Zipkin、Jaeger等。

扩展机制

Spring Boot提供了多种扩展机制，例如自定义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，例如使用Spring WebFlux。

通过以上知识点的串联，我们可以更好地理解JVM和Spring Boot的工作原理，以及如何在实际项目中应用这些知识。希望本文能够帮助读者在Java和Spring Boot领域取得更好的成果。

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