JVM与Spring Boot详解

📕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。

Java程序员廖志伟

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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。
  • :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.propertiesapplication.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.ymlapplication-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:

  1. file:/config/
  2. classpath:/config/
  3. file:/
  4. 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@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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