JVM与Spring Boot精讲

📕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

类加载机制在JVM中扮演着至关重要的角色，它确保了Java程序在运行时能够动态地加载和解析类。以下是类加载机制的技术实现细节：

1. 加载：类加载器（ClassLoader）负责加载类的字节码。Java中有三种类型的类加载器：启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）、扩展类加载器（Extension ClassLoader）和应用类加载器（Application ClassLoader）。启动类加载器负责加载JDK的库，扩展类加载器负责加载JDK的扩展库，应用类加载器负责加载应用程序的类。

   • 字节码加载：类加载器通过读取类文件（.class文件）的字节码，将其存储到方法区中。这个过程涉及到文件系统的访问和字节码的解析。

2. 连接：连接过程包括验证、准备和解析三个步骤。

   • 验证：确保类的字节码符合JVM规范，没有安全风险。
   • 准备：为类中的静态变量分配内存，并设置默认值。
   • 解析：将符号引用转换为直接引用，确保类之间的引用正确。

3. 初始化：初始化阶段是执行类构造器（ ()）的过程，它会初始化类变量，并执行静态代码块。

双亲委派模型

双亲委派模型是一种类加载策略，其中子类加载器在尝试加载类之前，会先请求其父类加载器进行加载。这种模型的技术实现细节如下：

• 当一个类加载器请求加载一个类时，它会首先检查自己的缓存中是否有这个类的定义。
• 如果没有，它会请求其父类加载器加载这个类。
• 如果父类加载器也无法加载，则子类加载器会尝试从外部资源（如文件系统或网络）加载这个类。

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，如加载特定格式的类文件或从特定资源加载类。技术实现细节包括：

• 继承java.lang.ClassLoader类并重写findClass(String name)方法。
• 在findClass方法中实现自定义的类加载逻辑，如从文件、网络或其他资源加载字节码。
• 使用defineClass(byte[] b, int off, int len)方法将加载的字节码转换为Class对象。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的模块化系统，它通过模块定义文件（module-info.java）来组织代码。技术实现细节如下：

• 模块定义文件定义了模块的名称、所依赖的模块以及导出的包。
• 模块之间通过模块名称来引用其他模块。
• JPMS提供了模块解析器来解析模块定义文件，并建立模块之间的依赖关系。

内存模型

JVM的内存模型是JVM运行时的核心，它决定了对象存储和垃圾回收的策略。以下是内存模型的技术实现细节：

• 堆：堆是JVM内存中最大的区域，用于存储所有类实例和数组的对象。垃圾回收主要在堆上执行。
• 栈：栈是线程私有的内存区域，用于存储局部变量和方法调用栈。栈的内存分配和回收速度快，但大小有限。
• 方法区：方法区存储类信息、常量、静态变量等。它是所有线程共享的内存区域。
• PC寄存器：PC寄存器存储当前线程所执行的指令的地址。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在以下场景：

• 堆内存不足：当创建大量对象时，如果这些对象无法在堆内存中找到足够的空间，就会发生OutOfMemoryError。
• 栈内存不足：当递归调用深度过大时，栈空间可能会耗尽，导致StackOverflowError。
• 方法区内存不足：当加载大量类时，如果方法区空间不足，也会发生OutOfMemoryError。

垃圾回收

垃圾回收是JVM自动管理内存的一种机制，它通过识别不再使用的对象来回收内存。以下是垃圾回收的技术实现细节：

• GC Roots可达性分析：垃圾回收器从GC Roots开始，遍历所有可达对象，判断哪些对象是可达的，哪些是不可达的。
• 分代收集理论：JVM将内存分为几个区域，每个区域对应不同的垃圾回收策略。新生代和旧生代是常见的分代。
• 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，它们决定了对象在内存中的生命周期。
• 垃圾回收算法：常见的垃圾回收算法包括标记-清除、复制算法和标记-整理算法。
• 并发收集器：并发收集器允许垃圾回收与应用程序的运行同时进行，以减少停顿时间。
• 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，如最大停顿时间目标和响应时间目标。

性能调优

性能调优是优化JVM运行时性能的关键步骤。以下是性能调优的技术实现细节：

• JVM参数配置：通过配置JVM参数（如-Xms、-Xmx）来优化内存使用。
• 内存泄漏诊断：使用工具（如MAT、VisualVM）诊断内存泄漏问题。
• JIT编译优化：JIT编译器对热点代码进行优化，提高性能。

Spring Boot知识体系

自动配置

Spring Boot通过自动配置功能，自动配置Spring应用。以下是自动配置的技术实现细节：

• @EnableAutoConfiguration原理：@EnableAutoConfiguration注解通过条件化配置（@Conditional）来选择合适的Bean。
• 条件化配置（@Conditional）：条件化配置允许根据特定条件动态地添加或排除Bean。
• 自定义Starter开发：自定义Starter可以帮助开发者将库集成到Spring Boot项目中。

起步依赖

起步依赖（Starters）是Spring Boot的核心特性之一，它简化了依赖管理。以下是起步依赖的技术实现细节：

• 依赖管理机制（BOM文件）：BOM（Bill of Materials）文件用于管理依赖关系，确保不同项目的依赖版本一致。
• 版本冲突解决：通过使用BOM文件和依赖管理工具，可以解决版本冲突问题。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式，包括自动配置和手动配置。以下是集成模式的技术实现细节：

• 自动配置：Spring Boot会自动配置第三方库，无需手动编写配置代码。
• 手动配置：开发者可以通过配置文件或注解来手动配置第三方库。

Actuator

Actuator是Spring Boot提供的生产级应用监控和管理功能。以下是Actuator的技术实现细节：

• 健康检查端点：健康检查端点允许开发者检查应用的健康状态。
• 度量指标收集：度量指标收集允许开发者收集应用的各种指标。
• 自定义Endpoint开发：自定义Endpoint允许开发者扩展Actuator的功能。

配置文件管理

Spring Boot使用配置文件来管理应用配置。以下是配置文件管理的技术实现细节：

• 多环境配置（application-{profile}.yml）：多环境配置允许根据不同的环境（如开发、测试、生产）使用不同的配置文件。
• 配置加载优先级：配置加载优先级决定了配置文件的加载顺序。
• 动态配置刷新：动态配置刷新允许在运行时更新配置。

监控与日志

Spring Boot提供了多种监控和日志解决方案。以下是监控与日志的技术实现细节：

• Micrometer集成：Micrometer是一个度量指标收集库，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，如Zipkin和Jaeger。以下是分布式链路追踪的技术实现细节：

• Zipkin：Zipkin是一个分布式追踪系统，它可以帮助开发者追踪分布式系统中的请求路径。
• Jaeger：Jaeger是一个开源的分布式追踪系统，它提供了丰富的功能，如实时追踪和可视化。

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。以下是扩展机制的技术实现细节：

• 自定义AutoConfigurationBean：自定义AutoConfigurationBean允许开发者自定义自动配置的Bean。
• 生命周期扩展点：生命周期扩展点允许开发者扩展Bean的生命周期。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，如Spring WebFlux。以下是响应式编程支持的技术实现细节：

• Spring WebFlux：Spring WebFlux是一个响应式Web框架，它允许开发者以非阻塞的方式编写Web应用程序。

总结

JVM和Spring Boot是Java生态系统中的两个关键组件。通过理解JVM和Spring Boot的知识体系，开发者可以更有效地开发、部署和监控Java应用。

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