JVM与Spring Boot详解-优快云博客

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📕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知识体系详解

类加载机制

Java虚拟机（JVM）的类加载机制是Java运行时环境的核心，它负责将Java源代码编译生成的字节码加载到JVM中，并确保类在运行时能够被正确地访问和使用。类加载机制涉及多个组件和阶段，以下是详细的技术实现细节：

类加载器：类加载器负责将类文件加载到JVM中，常见的类加载器包括：
- 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：负责加载JVM自身所需的类库，如rt.jar，它使用原生代码实现。
- 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：负责加载Java的扩展库，如jre/lib/ext目录下的类库。
- 应用程序类加载器（Application ClassLoader）：负责加载应用程序中的类库，如应用程序的jar包和目录。
- 自定义类加载器：用户可以自定义类加载器，以实现特定的类加载逻辑，如实现java.lang.ClassLoader接口。
类加载过程：类加载过程分为三个阶段：
- 加载：类加载器首先通过findClass方法查找并加载.class文件。加载过程包括读取.class文件字节码到方法区，并生成一个java.lang.Class对象。
- 连接：连接过程包括验证、准备和解析三个步骤。
  - 验证：确保类文件符合JVM规范，没有安全问题和数据错误。
  - 准备：为类变量分配内存，并设置默认初始值。
  - 解析：将符号引用替换为直接引用。
- 初始化：初始化类，执行类定义中的<clinit>()方法。

双亲委派模型

双亲委派模型是Java类加载机制的一个核心原则，其目的是避免类的重复加载，同时保证类型安全。在双亲委派模型中，当类加载器收到类加载请求时，它会首先请求其父类加载器进行加载，只有当父类加载器无法完成加载时，子类加载器才会尝试加载。

自定义类加载器

自定义类加载器可以通过继承java.lang.ClassLoader类来实现，并在其findClass方法中实现自定义的类查找逻辑。例如，可以实现一个网络类加载器，从网络上动态加载类文件。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的模块化系统，它通过模块定义和模块间依赖来提高Java程序的模块化、隔离性和版本控制。模块定义文件module-info.java用于声明模块的名称、公开的包和依赖。

内存模型

JVM的内存模型包括以下运行时数据区：

堆：堆是JVM管理的最大内存区域，用于存储几乎所有的对象实例以及数组的内存区域。堆内存的分配和回收由垃圾回收器管理。
栈：每个线程都有自己的栈，用于存储局部变量和方法调用的信息。栈内存的大小在创建线程时确定，通常比堆内存小。
方法区：方法区用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据。方法区的大小通常比堆小，但比栈大。
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

内存溢出通常发生在以下场景：

堆内存不足：当创建的对象过多或对象体积过大时，可能导致堆内存不足。
栈内存不足：线程方法调用深度过大或递归调用太深时，可能导致栈内存不足。
方法区内存不足：加载的类太多或类体积过大时，可能导致方法区内存不足。

垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动管理内存的一种机制，它通过以下步骤来回收不再使用的对象：

GC Roots可达性分析：从GC Roots开始，向上遍历可达性分析，确定哪些对象是可达的。
分代收集理论：将对象分为新生代（Young）和老年代（Old），不同代使用不同的回收策略。
引用类型：包括强引用、软引用、弱引用和虚引用，不同引用类型对垃圾回收的影响不同。

垃圾回收算法

常见的垃圾回收算法包括：

标记-清除：标记所有可达对象，清除未被标记的对象。
复制：将对象复制到不同的内存区域，回收未复制的区域。
整理：移动对象以减少内存碎片。

并发收集器

并发收集器包括：

CMS（Concurrent Mark Sweep）：一种以低停顿时间为目标的并发收集器。
G1（Garbage-First）：一种以空间局部性为目标的并发收集器。
ZGC（Z Garbage Collector）：一种低延迟的垃圾收集器。

停顿时间控制策略

JVM提供了多种停顿时间控制策略，例如：

最大停顿时间：设置垃圾回收的最大停顿时间。
目标停顿时间：设置垃圾回收的目标停顿时间。

性能调优

性能调优包括以下几个方面：

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：使用工具如Eclipse Memory Analyzer来诊断内存泄漏。

JIT编译优化

JIT编译器是JVM的一部分，它将字节码编译成本地机器代码，以提高性能。JIT编译优化包括：

即时编译：将热点代码编译成本地机器代码。
内联：将方法调用替换为方法体。
逃逸分析：优化对象的创建和访问。

Spring Boot知识体系详解

自动配置

Spring Boot的自动配置是基于条件化配置的。当Spring Boot启动时，它会根据类路径下添加的jar包和配置文件自动配置Bean。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解是Spring Boot自动配置的核心。它通过扫描类路径下的类和配置文件，根据条件自动配置Bean。其原理如下：

条件化配置：Spring Boot使用@Conditional注解及其衍生注解，如@ConditionalOnClass、@ConditionalOnMissingBean等，来根据特定条件启用或禁用配置。
条件化注解：这些注解会检查特定的条件是否满足，例如是否存在某个类或Bean，如果条件满足，则启用配置。

条件化配置（@Conditional）

条件化配置允许根据特定条件来启用或禁用配置。@Conditional注解及其衍生注解如@ConditionalOnClass、@ConditionalOnMissingBean等都是实现条件化配置的关键。

自定义Starter开发

自定义Starter可以简化项目的依赖管理。开发自定义Starter需要创建一个Maven项目，并在pom.xml中定义依赖。以下是一个简单的自定义Starter示例：

<groupId>com.example</groupId>
<artifactId>my-starter</artifactId>
<version>1.0.0</version>
<dependencies>
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter</artifactId>
    </dependency>
</dependencies>

起步依赖

起步依赖是Spring Boot的核心概念之一。它允许开发者通过添加一个起步依赖来引入一组相关的库。起步依赖通常由Spring Boot官方提供，也可以是用户自定义的。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM（Bill of Materials）文件用于定义一组库的版本，确保所有依赖都使用相同的版本。BOM文件可以简化依赖管理，避免版本冲突。

版本冲突解决

版本冲突可以通过以下方式解决：

使用BOM文件。
使用依赖管理策略，如依赖的传递性。
使用依赖排除。

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：Spring Boot可以自动配置第三方库，例如数据库连接池、缓存等。
配置属性：Spring Boot允许通过配置属性来配置第三方库。
配置文件：Spring Boot支持多种配置文件格式，如application.properties和application.yml，用于配置第三方库。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了健康检查、度量指标收集和自定义端点等功能。

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。Spring Boot提供了多种健康指标，如内存使用情况、数据库连接状态等。

度量指标收集

度量指标收集允许开发者收集应用程序的性能数据。Spring Boot集成了Micrometer，支持多种度量指标收集器，如Prometheus、Graphite等。

自定义Endpoint开发

自定义Endpoint允许开发者扩展Actuator的功能。开发者可以通过实现org.springframework.boot.actuate.endpoint.Endpoint接口来创建自定义端点。

配置文件管理

Spring Boot支持多环境配置，例如application-dev.yml和application-prod.yml。通过设置不同的配置文件，可以针对不同的环境进行配置。

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。Spring Boot会按照以下顺序加载配置文件：

file:/config/
classpath:/config/
file:/
classpath:/

动态配置刷新

动态配置刷新允许开发者实时更新配置而不需要重启应用程序。Spring Boot通过@RefreshScope注解实现了动态配置刷新。

监控与日志

Spring Boot提供了多种监控和日志配置选项，包括：

Micrometer集成：Spring Boot集成了Micrometer，支持多种监控指标收集器。
Logback/SLF4J配置：Spring Boot默认使用Logback作为日志框架，并集成了SLF4J。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，例如Zipkin和Jaeger。分布式链路追踪可以帮助开发者追踪跨服务调用的执行路径，并分析性能瓶颈。

扩展机制

Spring Boot提供了多种扩展机制，例如：

自定义AutoConfigurationBean：开发者可以自定义AutoConfigurationBean，以实现特定的自动配置逻辑。
生命周期扩展点：Spring Boot提供了多种生命周期扩展点，如@PostConstruct和@PreDestroy注解。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，例如使用Spring WebFlux。响应式编程可以帮助开发者构建高并发、高可伸缩性的应用程序。

通过以上对JVM和Spring Boot知识体系的详细描述，我们可以看到这两个技术体系之间的紧密联系。JVM提供了Java应用程序的运行环境，而Spring Boot则构建在这个环境之上，提供了快速开发和部署Java应用程序的能力。这两个知识体系的理解和应用对于Java开发者来说至关重要。

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