JVM与Spring Boot核心解析-优快云博客

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📘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

JVM（Java虚拟机）作为Java语言的基石，其设计理念旨在提供一个高效、稳定的运行环境。以下对JVM知识体系中的关键知识点进行深入剖析。

类加载机制

类加载机制是JVM的核心功能，负责将Java源代码编译成字节码，然后加载到JVM中执行。

类加载过程

类加载过程可以分为三个阶段：加载、验证、准备和初始化。

加载：查找并加载类的.class文件。在这一过程中，JVM会检查是否已经加载此类，若未加载，则从指定的类路径中查找并加载。
验证：确保类文件的字节码正确，没有安全风险。验证过程包括：文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证等。
准备：为类变量分配内存，并设置默认值。
初始化：执行类的初始化代码，为类变量赋值。

双亲委派模型

双亲委派模型是Java类加载机制的核心，其基本思想是：除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。当一个类加载器请求加载一个类时，它会首先委托给父类加载器，只有当父类加载器无法完成加载任务时，才自己去加载。

自定义类加载器

自定义类加载器允许开发者控制类的加载过程，实现特定的加载逻辑。例如，可以自定义类加载器实现热部署，在应用程序运行过程中替换类文件。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的模块化系统，它允许开发者将应用程序分解成多个模块，从而提高性能和安全性。模块化系统通过模块描述文件（module-info.java）来定义模块的依赖关系。

内存模型

JVM的内存模型包括以下几个运行时数据区：

堆：存储几乎所有的Java对象实例，以及数组。堆内存是JVM管理的最大内存区域，通常由操作系统分配。
栈：存储局部变量表、操作数栈、方法出口等信息，每个线程都有自己独立的栈。栈内存分配速度快，但空间有限。
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。方法区空间有限，当内存不足时，会抛出内存溢出错误。
PC寄存器：用于存储指向下一条指令的地址。PC寄存器是线程私有的，每个线程都有自己的PC寄存器。

内存溢出场景分析

内存溢出是指程序在运行过程中，由于内存使用过多，导致系统资源耗尽，从而崩溃。常见的内存溢出场景包括：

堆内存溢出：由于创建对象过多或对象生命周期过长，导致堆内存不足。
栈内存溢出：由于方法调用太深或递归调用过多，导致栈内存不足。

垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动管理内存的关键机制，它通过回收不再使用的对象来释放内存。

GC Roots可达性分析

GC Roots是指那些指向活跃对象的所有引用的集合，只有从GC Roots开始无法访问到的对象才被认为是垃圾。常见的GC Roots包括：方法栈、本地变量表、线程栈、字符串常量池等。

分代收集理论

JVM将内存分为几代，包括新生代（Young）、老年代（Old）和永久代（Perm），以便更高效地进行垃圾回收。

新生代：用于存放新创建的对象，垃圾回收频率较高。
老年代：存放存活时间较长的对象，垃圾回收频率较低。
永久代：存放运行时常量池、静态变量等数据，垃圾回收频率较低。

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，它们在垃圾回收中的处理方式不同。

强引用：垃圾回收器无法回收强引用的对象。
软引用：垃圾回收器可以回收软引用的对象，但会在内存不足时优先回收。
弱引用：垃圾回收器可以随时回收弱引用的对象。
虚引用：垃圾回收器可以随时回收虚引用的对象，但对象回收后，虚引用会指向一个PhantomReference。

垃圾回收算法

常见的垃圾回收算法包括标记-清除、复制和整理算法。

标记-清除：先标记所有可达对象，然后清除未被标记的对象。
复制：将对象分为两个部分，每次只使用其中一个部分，垃圾回收时，将存活对象复制到另一部分。
整理：在标记-清除的基础上，将未被标记的对象移动到内存的一端，以便下次垃圾回收时，可以连续清理内存。

并发收集器

并发收集器如CMS（Concurrent Mark Sweep）和G1（Garbage-First）可以在应用程序运行时进行垃圾回收，从而减少停顿时间。

CMS：适用于对响应时间有较高要求的场景，其回收过程分为四个阶段：初始标记、并发标记、再次标记和清理。
G1：适用于对吞吐量有较高要求的场景，其回收过程分为两个阶段：标记和整理。

停顿时间控制策略

JVM提供了多种策略来控制垃圾回收过程中的停顿时间，以减少对应用程序性能的影响。例如，可以通过调整垃圾回收算法、线程数量、堆内存大小等参数来控制停顿时间。

性能调优

通过调整JVM参数（如Xms、Xmx等）和内存泄漏诊断，可以优化JVM的性能。例如，可以通过设置堆内存大小、垃圾回收策略等参数来优化性能。

二、Spring Boot知识体系

Spring Boot是一个开源的Java框架，它简化了Spring应用的创建和部署。

自动配置

Spring Boot通过自动配置功能，自动配置Spring应用程序。以下是其原理：

@EnableAutoConfiguration：该注解启动自动配置过程。当Spring Boot启动时，它会根据类路径下存在的jar包和配置信息，自动配置Spring应用程序。
条件化配置（@Conditional）：根据不同的条件，动态地启用或禁用配置。例如，可以通过条件化配置来决定是否启用数据库连接池。

自定义Starter

自定义Starter可以帮助开发者快速集成第三方库或自定义功能。开发者可以将Starter打包成jar包，然后通过Maven或Gradle的方式引入到项目中。

起步依赖

起步依赖（Starter POM）是一种方便的依赖管理方式，它将多个依赖项捆绑在一起。例如，spring-boot-starter-web起步依赖包含了Spring MVC、Spring WebFlux等依赖。

依赖管理机制

Spring Boot使用BOM（Bill of Materials）文件来管理依赖项的版本，以解决版本冲突问题。BOM文件定义了项目中所有依赖项的版本，从而避免了版本冲突。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库的集成模式，包括声明式集成和编程式集成。

声明式集成：通过注解或配置文件的方式，自动配置第三方库。
编程式集成：通过编写代码的方式，手动配置第三方库。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了一系列端点，用于监控和管理应用程序。

健康检查端点

健康检查端点允许开发者检查应用程序的健康状态。例如，可以通过访问/actuator/health端点来获取应用程序的健康信息。

度量指标收集

Actuator可以收集应用程序的性能指标，如内存使用情况、线程数等。例如，可以通过访问/actuator/metrics端点来获取应用程序的性能指标。

自定义Endpoint开发

开发者可以自定义Endpoint来扩展Actuator的功能。自定义Endpoint需要实现Endpoint接口，并定义端点URL和访问权限。

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

通过application-{profile}.yml文件，可以针对不同的环境配置应用程序。例如，application-dev.yml用于开发环境，application-prod.yml用于生产环境。

配置加载优先级

Spring Boot按照一定的优先级加载配置文件，以确保配置的正确性。配置文件加载顺序为：application.yml -> application-{profile}.yml -> bootstrap.yml。

动态配置刷新

Spring Boot支持动态刷新配置，使得应用程序可以在运行时更新配置。例如，可以通过/actuator/refresh端点来刷新配置。

监控与日志

Spring Boot集成了多种监控和日志框架，如Micrometer和Logback/SLF4J。

Micrometer：用于收集应用程序的性能指标。
Logback/SLF4J：用于记录应用程序的日志信息。

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定位问题，并分析系统性能。

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。

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：允许开发者扩展Spring Boot的生命周期。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，允许开发者编写非阻塞、异步的代码。响应式编程可以提升应用程序的性能和可扩展性。

通过以上对JVM和Spring Boot知识体系的深入剖析，我们可以看到这两个技术在现代Java开发中的重要作用。JVM负责Java程序的运行环境，而Spring Boot则简化了Spring应用程序的开发和部署。两者相辅相成，共同构成了Java生态系统的重要组成部分。

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