JVM与Spring Boot精讲

原创 于 2025-08-06 09:04:51 发布 · 973 阅读 · 21 ·
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#Java # JVM # Spring Boot

📕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）、《解密程序员的思维密码——沟通、演讲、思考的实践》作者、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。

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Java程序员廖志伟

💡在这个美好的时刻，笔者不再啰嗦废话，现在毫不拖延地进入文章所要讨论的主题。接下来，我将为大家呈现正文内容。

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【一、JVM知识体系】

  1. 类加载机制 在JVM的类加载过程中，首先是由加载器负责读取类的字节码，并将其存储在JVM中。这一过程涉及以下几个关键步骤：

（1）加载：在这一阶段，加载器会读取类定义信息，并将其转换成内存中的二进制格式。这个过程中，JVM会使用类加载器（如启动类加载器、扩展类加载器、应用类加载器等）来查找类文件的位置。对于Java源代码，类加载器会将它们编译成字节码文件，然后再加载。

（2）验证：加载完成后，JVM会对Class对象进行验证，确保它符合Java虚拟机的规范。验证过程包括对字节码的验证、符号引用的验证、类结构的验证等。

（3）准备：在这一阶段，JVM为类变量分配内存，并设置初始值（通常为0）。对于基本数据类型，类变量在类加载时就会进行内存分配；对于引用类型，则是在实例化对象时才会分配内存。

（4）解析：解析过程将类或接口中的符号引用替换为直接引用，确保在运行时能够找到对应的资源。

（5）初始化：初始化是类加载过程中的最后一个阶段，它会执行类中的静态代码块，初始化静态变量等。

  1. 双亲委派模型 双亲委派模型在JVM中发挥着至关重要的作用。当类加载器需要加载一个类时，它会先请求其父类加载器尝试加载，如果父类加载器无法加载，才由当前类加载器自己进行加载。这种模型有以下几个优点：

（1）避免类的重复加载：双亲委派模型确保了类只被加载一次，避免重复加载。

（2）保证类型安全：双亲委派模型使得核心API的加载由启动类加载器完成，而应用程序类加载器则加载应用程序的类，从而保证了类型安全。

  1. 自定义类加载器 自定义类加载器允许开发者根据特定需求定制类加载过程。例如，可以创建一个自定义类加载器来加载第三方库，或者在加载过程中进行代码篡改。

  2. 模块化系统（JPMS） Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一种模块化系统，它将JVM中的类加载器进行了重构，提供了模块化、版本控制和依赖管理等功能。模块化系统能够提高JVM的性能和安全性，同时简化了类加载过程。

【二、内存模型与运行时数据区】

  1. 内存模型 JVM的内存模型主要包括堆、栈、方法区和PC寄存器等几个部分：

（1）堆：堆是JVM中最大的内存区域，用于存储所有类的实例和数组的对象。堆内存的分配和回收由垃圾回收器负责。

（2）栈：栈用于存储局部变量和方法调用栈。每个线程都有自己的栈，栈空间相对较小，且线程间互不干扰。

（3）方法区：方法区存储类信息、常量、静态变量等。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地址。在单线程程序中，PC寄存器指向下一条指令的地址；在多线程程序中，每个线程都有自己的PC寄存器。

  1. 内存溢出场景分析 内存溢出是指程序在运行过程中，由于内存需求超过可用内存而导致的异常。常见的内存溢出场景包括：

（1）堆内存溢出：大量对象实例占用内存，导致堆内存不足。

（2）栈内存溢出：递归调用深度过大，导致栈空间不足。

（3）方法区溢出：大量类信息占用内存，导致方法区不足。

  1. 直接内存管理 直接内存管理是指JVM直接分配在本地内存中的内存空间，用于存储大量数据，如文件映射、大数组等。这种内存分配方式可以减少JVM堆内存的压力，提高程序性能。

  2. 垃圾回收 垃圾回收是JVM自动回收不再使用的对象所占用的内存空间。垃圾回收过程包括以下几个步骤：

（1）GC Roots可达性分析：从GC Roots开始，向上遍历可达对象，确定哪些对象是可达的。

（2）分代收集理论：将对象分为新生代和老年代，分别采用不同的回收策略。

（3）引用类型：强引用、软引用、弱引用和虚引用在垃圾回收过程中起到不同的作用。

  1. 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。这些算法在实现上各有优缺点，需要根据具体场景选择合适的算法。

  2. 并发收集器 并发收集器允许垃圾回收与用户线程同时运行，减少停顿时间。常见的并发收集器包括CMS和G1。

  3. 停顿时间控制策略 停顿时间控制策略旨在减少垃圾回收过程中的停顿时间，提高程序性能。常用的策略包括动态调整堆大小、选择合适的垃圾回收算法等。

  4. 性能调优与JVM参数配置 性能调优主要包括监控内存使用情况、调整JVM参数等。常见的JVM参数包括Xms、Xmx等。

  5. 内存泄漏诊断 内存泄漏是指程序中无法释放的内存空间，导致内存使用逐渐增加。诊断内存泄漏的方法包括分析堆转储文件、使用内存分析工具等。

  6. JIT编译优化 JIT编译器是JVM的一种优化技术，它将字节码编译成本地机器码，提高程序运行效率。

【三、Spring Boot知识体系】

  1. 自动配置 Spring Boot自动配置是Spring Boot的核心特性之一，它可以根据项目依赖自动配置Spring应用程序。自动配置的原理如下：

（1）@EnableAutoConfiguration：通过该注解开启自动配置功能。

（2）条件化配置：Spring Boot使用条件化配置，根据项目依赖自动启用或禁用配置。

  1. 自定义Starter 自定义Starter可以帮助开发者将常用依赖打包成 Starter，方便其他开发者使用。

  2. 起步依赖与依赖管理机制 起步依赖是Spring Boot提供的依赖管理机制，它将多个依赖关系打包成一个依赖包，简化了依赖管理。

  3. 版本冲突解决 在项目开发过程中，可能会出现依赖版本冲突的问题。解决方法包括：

（1）使用依赖管理工具，如Maven或Gradle。

（2）调整依赖版本，选择兼容版本。

  1. 第三方库集成模式 Spring Boot支持多种第三方库集成模式，如RESTful API、数据库连接等。

  2. Actuator与健康检查 Actuator是Spring Boot提供的一种监控和管理工具，它允许开发者监控应用程序的健康状态。健康检查端点可以收集度量指标。

  3. 自定义Endpoint 自定义Endpoint允许开发者扩展Actuator的功能，实现自定义监控和管理。

  4. 配置文件管理 Spring Boot使用配置文件来管理应用程序的配置信息。多环境配置（application-{profile}.yml）允许为不同环境设置不同的配置。

  5. 配置加载优先级与动态配置刷新 配置加载优先级决定了配置文件的加载顺序。动态配置刷新允许在应用程序运行过程中更新配置信息。

  6. 监控与日志 Spring Boot提供多种监控和日志工具，如Micrometer、Logback/SLF4J等。

  7. 分布式链路追踪 分布式链路追踪可以帮助开发者追踪跨多个服务调用的请求，提高系统性能。

  8. 扩展机制 Spring Boot提供多种扩展机制，如自定义AutoConfigurationBean、生命周期扩展点等。

  9. 响应式编程支持 Spring Boot支持响应式编程，允许开发者使用Reactor、Project Reactor等库实现异步编程。

总结： 本文从JVM和Spring Boot两个方面详细介绍了相关知识点，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。通过串联多个知识点，使读者能够举一反三，更好地理解和应用这些技术。在实际开发过程中，结合这些知识点，可以构建高性能、可维护的Java应用程序。

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自定义类加载器允许开发者控制类的加载过程，这在模块化系统（JPMS）中非常有用。开发者可以通过继承类或实现接口来创建自定义类加载器。自定义Starter可以简化依赖管理，提高项目的可重用性。创建Starter：创建一个包含所有必需依赖的jar包。添加依赖：在Starter的pom.xml文件中添加所有必需的依赖。添加自动配置：在Starter中添加自动配置类，自动配置与Starter相关的Bean。自定义Endpoint允许开发者添加自定义的端点，提供额外的监控信息。实现Endpoint接口：实现。
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自定义类加载器允许开发者控制类的加载过程，这在实现热部署、模块化、资源隔离等方面非常有用。自定义类加载器需要实现接口。类路径定位：通过重写findClass方法来定位类文件。资源读取：通过重写和方法来读取资源文件。类转换：通过重写asSubclass方法来处理子类加载。自定义Starter可以帮助开发者快速集成第三方库。起步依赖：定义了Starter的依赖关系，通过Maven或Gradle的方式管理。依赖管理机制：通过BOM文件（Bill of Materials）管理依赖版本，解决版本冲突。
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在实际应用中，有时需要自定义类加载器来加载特定的类，如模块化系统（JPMS）。自定义类加载器可以通过继承类或实现接口来实现。在自定义类加载器中，可以重写findClass方法来加载特定的类文件。自定义Starter可以让其他开发者更容易地使用你的库。创建Maven项目，添加Spring Boot依赖。编写自动配置类，实现自动配置逻辑。编写Starter POM，将自动配置类和依赖打包成Starter。发布Starter到Maven中央仓库。
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