JVM与Spring Boot核心知识

📕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。

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一、JVM知识体系

JVM（Java虚拟机）是Java语言运行时环境的核心，它负责将Java代码编译成字节码，并执行这些字节码。以下是JVM知识体系中的关键知识点：

类加载机制

类加载机制是JVM的核心功能之一，它负责将Java类文件加载到JVM中。类加载过程主要包括以下几个阶段：

1. 加载（Loading）：这一阶段涉及查找和验证类文件，确保其格式正确。JVM会首先检查类文件是否存在于本地文件系统、网络或已加载的类加载器中。若不存在，则通过类加载器去加载。加载过程中，JVM会创建一个代表类的Class对象。

2. 验证（Verification）：验证阶段是为了确保加载的类文件是合法的，没有违反Java语言规范，不会危害JVM的安全。验证过程包括类文件结构验证、字节码验证、符号引用验证等。

3. 准备（Preparation）：这一阶段为类变量分配内存，并设置默认初始值。对于静态变量，它们存储在方法区中。

4. 解析（Resolution）：解析阶段将符号引用转换为直接引用，即将类、接口、字段和方法的符号引用转换为直接引用。

5. 初始化（Initialization）：初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程，它负责初始化类变量，包括显式初始化代码、静态代码块和初始化常量。

双亲委派模型

双亲委派模型要求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。这种模型保证了类型的安全性和一致性。例如，当一个类加载器收到一个类加载请求时，它会首先请求其父类加载器去尝试加载该类，只有当父类加载器无法完成加载时，才自己去加载。

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。自定义类加载器可以加载特定的类，例如，加载由特定协议访问的资源或实现特定类加载逻辑。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一个模块化系统，它允许开发者将应用程序分解成多个模块，从而提高系统的可维护性和安全性。每个模块包含自己的类和资源，通过模块描述符来定义模块间的依赖关系。

内存模型

JVM的内存模型包括以下几个运行时数据区：

1. 堆（Heap）：堆内存用于存储所有类实例和数组的内存区域。JVM使用分代收集算法来管理堆内存，包括新生代、老年代和永久代。

2. 栈（Stack）：栈内存用于存储线程的局部变量和方法调用的内存区域。每个线程都有自己的栈内存，栈内存的大小在创建线程时确定。

3. 方法区（Method Area）：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。方法区是所有线程共享的内存区域。

4. PC寄存器：PC寄存器用于存储当前线程所执行的指令的地址。每条线程都有自己的PC寄存器。

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：当创建大量对象导致堆内存占用过多时，可能会发生OutOfMemoryError。

• 栈内存不足：当方法调用太深或方法占用太多栈内存时，可能会发生StackOverflowError。

• 方法区不足：当加载大量类信息导致方法区内存不足时，可能会发生OutOfMemoryError。

垃圾回收

垃圾回收是JVM自动管理内存的重要机制，它通过回收不再使用的对象来释放内存。垃圾回收过程主要包括以下几个步骤：

1. GC Roots可达性分析：从GC Roots开始，向上搜索可达的对象，不可达的对象将被回收。

2. 分代收集理论：将堆内存分为新生代、老年代和永久代，针对不同代的特点采用不同的回收策略。

3. 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。

4. 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。

5. 并发收集器：如CMS（Concurrent Mark Sweep）和G1（Garbage-First），它们可以在不影响用户线程的情况下进行垃圾回收。

6. 停顿时间控制策略：如CMS的停顿时间目标（STW）和G1的动态停顿时间目标（DTSTW）。

性能调优

JVM性能调优主要包括以下几个方面：

• JVM参数配置：通过设置Xms、Xmx等参数来调整堆内存大小。

• 内存泄漏诊断：使用工具如JProfiler或VisualVM来诊断内存泄漏。

• JIT编译优化：JVM通过即时编译（JIT）将字节码编译成本地机器码，以提高程序执行效率。

二、Spring Boot知识体系

Spring Boot是Spring框架的一个模块，它简化了Spring应用的创建和配置过程。以下是Spring Boot知识体系中的关键知识点：

自动配置

Spring Boot的自动配置功能使得开发者可以不需要显式配置大量Spring框架的Bean，而是通过条件化配置来实现。@EnableAutoConfiguration注解是自动配置的核心。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解通过类路径下是否有某个类存在来决定是否启用某个模块的自动配置。例如，如果类路径下有spring-boot-starter-web依赖，则会自动配置Spring MVC的Bean。

条件化配置（@Conditional）

@Conditional注解可以用于实现更细粒度的自动配置控制，它允许开发者根据特定条件来决定是否启用某些配置。

自定义Starter开发

开发者可以通过创建自定义的Starter来提供特定的功能，这通常涉及创建一个Maven项目，并添加相应的依赖。

起步依赖

起步依赖（Starters）是Spring Boot提供的一组预定义的依赖，它们简化了依赖管理过程。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM（Bill of Materials）文件用于管理项目中的所有依赖版本，确保项目的一致性和稳定性。

版本冲突解决

Spring Boot通过提供统一的依赖版本来减少版本冲突，但在某些情况下，可能需要手动解决版本冲突。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库的集成模式，包括直接集成、代理集成和配置文件集成。

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

健康检查端点允许开发者检查应用程序的健康状态，例如/health端点。

度量指标收集

Actuator支持收集应用程序的度量指标，如内存使用情况、线程信息等。

自定义Endpoint开发

开发者可以通过实现Endpoint接口来创建自定义的Actuator端点。

配置文件管理

Spring Boot支持多环境配置，通过application-{profile}.yml文件来实现不同环境的配置。

配置加载优先级

Spring Boot根据配置文件的优先级来加载配置，例如，application-dev.yml的优先级高于application.yml。

动态配置刷新

Spring Boot支持动态刷新配置，允许在运行时更改配置并立即生效。

监控与日志

Spring Boot集成了Micrometer和Logback/SLF4J等工具，用于监控和配置日志。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin和Jaeger。

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。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，如Spring WebFlux。

通过以上知识点的串联，我们可以看到JVM和Spring Boot在Java生态系统中的紧密联系。JVM提供了Java程序的运行环境，而Spring Boot则是在这个环境中构建应用程序的框架。了解JVM的内存模型和垃圾回收机制有助于我们更好地优化Spring Boot应用程序的性能。同时，Spring Boot的自动配置和扩展机制使得开发更加高效，而配置文件管理和动态配置刷新等功能则提高了应用程序的灵活性和可维护性。

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