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）是Java语言运行时环境的核心，它负责执行Java字节码。JVM的设计理念和技术细节是深入理解Java编程基础的重要部分。

类加载机制

类加载机制是JVM的核心机制之一，它确保了在运行时能够正确地加载和使用类。

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：类加载器将类的字节码文件从文件系统或网络加载到内存中，并生成一个Class对象。
验证：验证类文件的字节码，确保符合JVM规范，不会危害JVM的安全。
准备：为类变量分配内存，并设置默认初始值。
初始化：执行类的初始化代码，包括静态代码块和静态变量的赋值。

双亲委派模型

双亲委派模型是Java类加载器默认的行为模式，它遵循以下规则：

加载类时，先由父类加载器尝试加载。
只有当父类加载器无法完成加载时，才由子类加载器尝试加载。
启动类加载器是JVM中的顶级类加载器，负责加载java.*包。

自定义类加载器

自定义类加载器可以加载非标准类，实现模块化设计或特殊加载逻辑。

通过继承ClassLoader类并重写findClass方法，可以自定义类的加载逻辑。
自定义类加载器可以加载本地文件、网络资源或其他形式的数据。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的模块化系统，它允许将应用程序拆分为多个模块，以提高性能和安全性。

模块定义了程序的功能和依赖，有助于减少应用程序的复杂性。
模块可以独立部署和升级，提高应用程序的维护性和可扩展性。

内存模型

JVM的内存模型是Java应用程序运行的基础，它定义了内存的组成和访问方式。

运行时数据区

JVM的运行时数据区包括以下几个部分：

堆：用于存放对象实例，是Java内存管理的主要区域。
栈：每个线程拥有独立的栈，用于存储局部变量和方法调用。
方法区：存储已加载的类信息、常量、静态变量等。
程序计数器：记录当前线程正在执行的字节码指令索引。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在以下场景：

对象数量过多，超过堆内存容量。
栈溢出，通常由于递归调用太深或方法调用栈过大。

直接内存管理

直接内存管理允许应用程序直接分配内存，不受垃圾回收器的管理。

这种内存常用于提高I/O操作性能，例如使用NIO中的直接缓冲区。
直接内存不受GC管理，需要手动分配和释放。

垃圾回收

垃圾回收是JVM自动内存管理的重要组成部分，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是垃圾回收的起点，从GC Roots开始向上搜索，可达的对象不会被回收。

GC Roots包括方法栈、本地变量表、常量池、静态变量等。

分代收集理论

分代收集理论将对象分为新生代和老年代，新生代用于存放新创建的对象，老年代用于存放长期存活的对象。

新生代采用复制算法，老年代采用标记-清除或标记-整理算法。

引用类型

引用类型包括强引用、软引用、弱引用和虚引用，不同类型的引用对垃圾回收有不同的影响。

强引用是默认的引用类型，当对象存在强引用时，它不会被回收。
软引用和弱引用在内存不足时会被回收，虚引用在回收前不会进行任何回收操作。

垃圾回收算法

JVM中常用的垃圾回收算法包括：

标记-清除：分为标记和清除两个阶段。
复制：将内存分为两个相等的部分，每次只使用其中一部分。
标记-整理：在标记-清除算法的基础上，对内存进行整理。

并发收集器

并发收集器在垃圾回收过程中与应用程序并发执行，减少停顿时间。

CMS（Concurrent Mark Sweep）：以最小化停顿时间为目标。
G1（Garbage-First）：将堆内存分割成多个区域，优先回收垃圾多的区域。
ZGC（Z Garbage Collector）：以极低的停顿时间为目标。

停顿时间控制策略

停顿时间控制策略包括：

时间窗口：设定一个时间窗口，在此时间内尽量完成垃圾回收。
适应性大小调整：根据历史数据调整堆内存大小。

性能调优

性能调优包括：

JVM参数配置：通过配置Xms、Xmx等参数来调整堆内存大小。
内存泄漏诊断：使用工具诊断内存泄漏问题。

JIT编译优化

JIT编译器可以将Java字节码编译成本地机器码，提高程序执行效率。

二、Spring Boot知识体系

Spring Boot是一个基于Spring框架的快速开发平台，它简化了Spring应用的初始搭建以及开发过程。

自动配置

Spring Boot的自动配置功能可以自动配置应用所需的Bean和依赖。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解通过类路径下的META-INF/spring.factories文件中的配置信息，自动配置相应的Bean。

spring.factories文件包含了自动配置类和相应的条件表达式，用于决定是否应用自动配置。
条件表达式可以基于类路径、系统属性、环境变量等条件动态启用或禁用自动配置。

条件化配置（@Conditional）

@Conditional注解可以根据不同的条件动态地启用或禁用配置。

@Conditional注解可以与多种条件表达式组合，例如@ConditionalOnClass、@ConditionalOnBean、@ConditionalOnMissingBean等。
条件表达式可以精确控制自动配置的应用场景，避免不必要的配置和依赖。

自定义Starter开发

自定义Starter可以帮助开发者将常用的依赖和配置封装起来，方便其他开发者使用。

自定义Starter需要创建一个Maven或Gradle项目，并添加所需的依赖和配置。
通过定义spring.factories文件，可以将自定义Starter添加到Spring Boot自动配置的类路径中。

起步依赖

起步依赖是Spring Boot提供的一套依赖管理机制，它通过Maven或Gradle的方式自动管理依赖。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM（Bill of Materials）文件用于定义项目中的所有依赖及其版本。

BOM文件可以确保项目中所有依赖的版本一致性，避免版本冲突。
通过Maven或Gradle插件，可以从BOM文件中导入依赖。

版本冲突解决

版本冲突可以通过以下方式解决：

依赖传递：Maven和Gradle会自动选择合适的依赖版本。
依赖排除：可以排除不兼容的依赖版本。
依赖覆盖：可以指定一个依赖版本覆盖默认版本。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库的集成模式，包括自动配置、依赖注入等。

自动配置：Spring Boot可以自动配置与第三方库集成的Bean和依赖。
依赖注入：Spring Boot可以使用自动配置或显式配置的方式，将第三方库的实例注入到应用程序中。

Actuator

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

健康检查端点

健康检查端点可以用于检查应用的运行状态。

健康检查端点可以自定义，用于检查特定组件的健康状态。
可以通过配置文件或代码方式配置健康检查端点的实现逻辑。

度量指标收集

度量指标收集可以用于收集应用的性能数据。

度量指标收集可以集成Micrometer等度量指标收集框架。
可以自定义度量指标，并将其暴露给外部监控系统。

自定义Endpoint开发

自定义Endpoint可以让我们定义自己的监控和管理端点。

自定义Endpoint可以通过实现Endpoint接口，并注册到Spring Boot应用程序中。
可以通过配置文件或代码方式配置自定义Endpoint的访问权限。

配置文件管理

Spring Boot支持多环境配置，通过application-{profile}.yml文件实现。

多环境配置

多环境配置可以让我们针对不同的环境配置不同的参数。

可以通过配置文件的位置或spring.profiles.active属性来切换不同的环境配置。
可以配置不同的数据库连接、服务端口号等参数。

配置加载优先级

配置加载优先级可以通过以下方式实现：

配置文件的位置：优先加载更接近项目根目录的配置文件。
属性名：优先加载相同属性名的配置值。

动态配置刷新

动态配置刷新可以让我们在应用运行时更新配置。

动态配置刷新可以集成Spring Cloud Config等配置中心。
可以通过HTTP请求或JMX远程调用等方式刷新配置。

监控与日志

Spring Boot支持多种监控和日志框架，如Micrometer、Logback/SLF4J等。

Micrometer集成

Micrometer是一个度量指标收集框架，可以与多种监控系统集成。

Micrometer可以集成Prometheus、Grafana等监控工具。
可以自定义度量指标，并将其暴露给外部监控系统。

Logback/SLF4J配置

Logback和SLF4J是两种流行的日志框架，Spring Boot支持它们的集成。

Spring Boot可以自动配置Logback或SLF4J。
可以通过配置文件或代码方式配置日志级别、输出格式等参数。

分布式链路追踪扩展机制

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin、Jaeger等。

自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点

自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点可以让我们在Spring Boot的生命周期中添加自定义逻辑。

可以通过实现BeanPostProcessor接口，在Bean初始化前后添加自定义逻辑。
可以通过实现ApplicationListener接口，监听Spring Boot的生命周期事件。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，如Spring WebFlux等。

Spring WebFlux是Spring Boot的响应式Web框架，支持异步、非阻塞编程模型。
可以使用WebFlux构建高性能、可扩展的响应式Web应用程序。

总结

本文详细介绍了JVM和Spring Boot的相关知识点，包括类加载机制、内存模型、垃圾回收、自动配置、监控与日志等。通过这些知识点的串联，读者可以更好地理解JVM和Spring Boot的工作原理，从而在实际开发中发挥更大的作用。

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