JVM与Spring Boot核心解析

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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 Virtual Machine）是Java语言运行时的环境，作为Java程序执行的基石，其运行效率对Java应用程序至关重要。以下是针对JVM知识体系的详细补充说明。

1. 类加载机制

类加载机制是JVM的核心概念之一，负责将类文件加载到JVM中，以便程序使用。类加载过程包括三个阶段：加载、连接、初始化。

（1）加载：加载过程负责找到并加载指定名称的类或接口的字节码文件，并为之生成一个Class对象。在此过程中，类加载器扮演重要角色，负责查找类文件并将其读入内存。

• 类加载器：类加载器负责加载类文件，JVM提供了四种类型的类加载器，分别是启动类加载器、扩展类加载器、系统类加载器和用户自定义类加载器。

• 字节码加载：类加载器将类文件加载到内存后，会将其转换成字节码。字节码是JVM可以直接理解的中间表示形式。

（2）连接：连接过程包括验证、准备和解析三个步骤。

• 验证：验证过程确保加载的类信息符合JVM规范，避免运行时出错。

• 准备：准备过程为类变量分配内存并设置默认初始值。

• 解析：解析过程将类、接口、字段和方法的符号引用转换为直接引用。

（3）初始化：初始化过程为类的静态变量赋予正确的初始值，执行静态代码块中的代码，调用指定的初始化方法。

2. 双亲委派模型

双亲委派模型是JVM中类加载器的一种加载机制，要求除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。当一个类加载器收到类加载请求时，首先会委派给父类加载器进行加载，只有当父类加载器无法完成加载任务时，才自己尝试加载。

• 类加载器的层级关系：类加载器的层级关系为：启动类加载器 → 扩展类加载器 → 系统类加载器 → 用户自定义类加载器。

• 优点：双亲委派模型有助于防止重复加载同一个类，同时确保类型安全。

3. 模块化系统（JPMS）

模块化系统（Java Platform Module System，JPMS）是Java 9引入的一种新的模块化机制，旨在提高Java程序的可维护性、可移植性和安全性。

（1）模块：模块是代码组织的一种形式，由一组相关的类、接口和资源组成。

（2）模块定义：模块定义文件（module-info.java）用于描述模块的依赖关系和提供的服务。

（3）模块系统：模块系统通过模块描述文件来组织模块，并通过模块间依赖来构建应用程序。

4. 内存模型

JVM内存模型主要包括运行时数据区和直接内存管理两部分。

（1）运行时数据区

• 堆：堆是存储JVM中所有对象实例和数组的内存区域，是动态分配的。堆内存分配策略对垃圾回收性能有很大影响。

• 栈：栈存储线程的运行状态，包括局部变量表、操作数栈、方法出口等信息。栈内存分配速度快，但容量有限。

• 方法区：方法区存储已经被加载的类信息、常量、静态变量等数据。方法区内存分配相对稳定。

• PC寄存器：PC寄存器用于记录线程下一条指令的地址。

（2）直接内存管理

• 直接内存：直接内存是指JVM运行时分配的非堆内存空间，用于存储原始数据。直接内存不受垃圾回收器的管理，因此可能导致内存泄漏。

5. 内存溢出场景分析

内存溢出是指程序在运行过程中，申请的内存超过了JVM能够分配的最大内存。

（1）创建大量对象：大量创建对象会占用大量堆内存，可能导致内存溢出。

（2）循环引用：循环引用是指对象之间相互引用，导致垃圾回收器无法回收。

（3）内存泄漏：内存泄漏是指程序中已无法访问的对象，由于未能被垃圾回收器回收，导致内存占用不断增加。

6. 垃圾回收

垃圾回收（Garbage Collection，GC）是指JVM自动回收不再使用的内存空间。

（1）GC Roots可达性分析：GC Roots是指能够直接或间接访问到所有对象的一组对象。

（2）分代收集理论：分代收集理论将JVM中的对象划分为新生代和老年代，分别采用不同的回收算法。

（3）引用类型：引用类型分为强引用、软引用、弱引用和虚引用。

（4）垃圾回收算法：常见的垃圾回收算法包括标记-清除、复制和标记-整理算法。

（5）并发收集器：并发收集器在执行垃圾回收时，与用户线程并发执行，以提高垃圾回收效率。

（6）停顿时间控制策略：停顿时间控制策略旨在控制垃圾回收过程中用户线程的停顿时间。

7. 性能调优

性能调优是提高JVM运行效率的关键。

（1）JVM参数配置：通过配置JVM参数（如-Xms、-Xmx、-XX:MaxNewSize等），可以调整堆内存大小、新生代和老年代比例等。

（2）内存泄漏诊断：使用工具（如JProfiler、VisualVM等）对内存泄漏进行分析和定位。

（3）JIT编译优化：JIT编译器可以将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是一款基于Spring框架的快速开发工具，旨在简化Spring应用的创建和配置过程。以下是针对Spring Boot知识体系的详细补充说明。

1. 自动配置

自动配置是Spring Boot的核心特性之一，可以自动配置Spring应用。

（1）@EnableAutoConfiguration原理：通过添加@EnableAutoConfiguration注解，Spring Boot会自动导入匹配的 Starter 依赖的自动配置类。

（2）条件化配置（@Conditional）：条件化配置允许有选择地添加配置。

2. 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。

（1）起步依赖：起步依赖是指包含在Starter中的依赖，可以简化项目的依赖管理。

（2）依赖管理机制：Spring Boot使用BOM（Bill of Materials）文件来管理依赖版本。

（3）版本冲突解决：使用依赖冲突解决策略来解决版本冲突。

3. 第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式。

（1）传统依赖注入：通过使用Spring框架的依赖注入功能，将第三方库集成到Spring应用中。

（2）声明式配置：通过使用@Configuration类或XML配置文件，声明式地配置第三方库。

（3）自动化配置：通过使用Spring Boot的自动配置功能，自动化配置第三方库。

4. Actuator

Actuator是Spring Boot提供的监控和管理应用程序的端点。

（1）健康检查端点：Actuator提供健康检查端点，用于监控应用程序的健康状况。

（2）度量指标收集：Actuator可以收集各种度量指标，例如内存使用情况、线程数等。

（3）自定义Endpoint开发：开发者可以自定义Endpoint来扩展Actuator的功能。

5. 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。

（1）多环境配置：通过配置文件（如application.yml、application-dev.yml等）来管理不同环境下的配置信息。

（2）配置加载优先级：Spring Boot按照以下顺序加载配置信息：命令行参数、环境变量、配置文件、默认值。

（3）动态配置刷新：Spring Boot支持动态刷新配置信息。

6. 监控与日志

Spring Boot集成Micrometer和Logback/SLF4J等监控和日志框架。

（1）监控：Micrometer是Spring Boot的监控框架，可以与多种监控工具集成。

（2）日志：Logback/SLF4J是Spring Boot的日志框架，提供灵活的日志管理功能。

7. 分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，可以方便地追踪跨服务调用的执行过程。

8. 扩展机制

Spring Boot提供多种扩展机制。

（1）自定义AutoConfigurationBean：开发者可以自定义AutoConfigurationBean来扩展Spring Boot的功能。

（2）生命周期扩展点：Spring Boot提供生命周期扩展点，允许开发者监听Spring Boot的生命周期事件。

9. 响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，方便开发者编写异步和事件驱动的应用程序。

（1）响应式编程：响应式编程是一种编程范式，允许异步处理数据流。

（2）Spring WebFlux：Spring WebFlux是Spring Boot的响应式编程框架，支持异步和事件驱动的Web应用开发。

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