JVM与Spring Boot深度解析

📕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、CSDN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

🌾阅读前,快速浏览目录和章节概览可帮助了解文章结构、内容和作者的重点。了解自己希望从中获得什么样的知识或经验是非常重要的。建议在阅读时做笔记、思考问题、自我提问,以加深理解和吸收知识。阅读结束后,反思和总结所学内容,并尝试应用到现实中,有助于深化理解和应用知识。与朋友或同事分享所读内容,讨论细节并获得反馈,也有助于加深对知识的理解和吸收。💡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

类加载机制

Java虚拟机(JVM)的类加载机制是Java程序执行过程中的核心环节之一,其设计目的是保证Java程序的稳定性和安全性。在类加载过程中,JVM执行了一系列的检查和准备操作,以确保被加载的类能够正确运行。

类加载过程

类加载过程分为三个阶段:加载、连接和初始化。

  • 加载:类加载器负责查找并加载指定的类或接口的字节码文件。这一步的工作包括:

    • 找到或生成类的二进制字节码;
    • 将字节码加载到内存中;
    • 验证加载的字节码文件是否符合JVM规范;
    • 为类的各个成分分配内存,并设置初始值。
  • 连接:连接过程包括验证、准备和解析三个步骤:

    • 验证:确保加载的类信息符合JVM规范,没有安全方面的问题;
    • 准备:为类变量分配内存,并设置默认初始值;
    • 解析:将类、接口、字段和方法的符号引用转换为直接引用。
  • 初始化:初始化阶段是类加载过程的最后一步,它会执行类的初始化代码,包括静态初始化器和静态代码块。

双亲委派模型

双亲委派模型是JVM中类加载器的一种工作模式。按照该模式,当一个类需要被加载时,首先由其父类加载器进行加载。只有当父类加载器无法完成类加载时,才由当前类加载器尝试加载。

双亲委派模型有以下几个优点:

  • 避免了类的重复加载;
  • 防止了核心API被随意修改;
  • 保证了类加载器之间的稳定性和兼容性。
自定义类加载器

自定义类加载器允许开发者根据特定的需求加载类。这通常用于实现模块化系统、加载特定的资源文件等。

自定义类加载器需要继承ClassLoader类或ExtClassLoader类,并重写其中的findClass方法。

模块化系统(JPMS)

Java Platform Module System(JPMS)是Java 9引入的一种模块化系统,旨在解决传统的类路径和依赖管理问题。它通过模块和模块间依赖来组织代码,提高了Java程序的可维护性和性能。

JPMS的主要特点包括:

  • 模块:每个模块包含一组相关的类和资源,以及它们的依赖关系;
  • 模块间依赖:模块之间的依赖关系通过模块描述符来定义;
  • 自动配置:JPMS自动配置模块,开发者无需手动配置依赖。
内存模型

JVM的内存模型由多个区域组成,包括运行时数据区(堆、栈、方法区、PC寄存器)。

  • :存储所有类的实例和数组的对象,是动态分配的内存区域;
  • :存储局部变量表、操作数栈、方法出口等信息,是线程私有的内存区域;
  • 方法区:存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据,是共享内存区域;
  • PC寄存器:用于存储指向当前执行的指令的指针,是线程私有的寄存器。
内存溢出场景分析

内存溢出是指程序在运行过程中,消耗了过多的内存资源,导致JVM无法继续分配内存。

常见的内存溢出场景包括:

  • 长期存活的对象导致堆内存不足;
  • 栈溢出,通常是由于递归调用或方法调用太深;
  • 方法区溢出,通常是由于加载的类太多。
垃圾回收

垃圾回收(GC)是JVM自动回收不再使用的内存空间的一种机制。GC过程包括GC Roots可达性分析、分代收集理论和引用类型。

  • GC Roots可达性分析:从GC Roots开始,向上搜索可达的对象,不可达的对象将被回收;
  • 分代收集理论:将堆内存划分为不同的区域,如Young区和Old区,以优化回收效率;
  • 引用类型:Java中的引用类型包括强引用、软引用、弱引用和虚引用。
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。

  • 标记-清除:标记所有可达对象,然后清除未被标记的对象;
  • 复制:将对象在堆内存中分为两个部分,每次只使用其中一部分,当这部分空间用完时,进行复制和交换;
  • 整理:在标记-清除后,整理内存空间,使所有对象连续放置。
并发收集器

并发收集器允许GC线程与应用程序线程同时运行,减少停顿时间。常见的并发收集器包括CMS(Concurrent Mark Sweep)和G1(Garbage-First)。

停顿时间控制策略

JVM提供了多种停顿时间控制策略,如G1的动态停顿时间目标(DTPG)。

性能调优

性能调优包括JVM参数配置、内存泄漏诊断和JIT编译优化。

  • JVM参数配置:通过配置-Xms、-Xmx等参数调整内存大小;
  • 内存泄漏诊断:使用工具如JProfiler、MAT等诊断内存泄漏;
  • JIT编译优化:JVM在运行时对字节码进行优化,提高程序执行效率。

二、Spring Boot知识体系

自动配置

Spring Boot通过自动配置机制,自动配置应用程序中需要的Bean。这大大简化了Spring应用程序的配置过程。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解是Spring Boot自动配置的核心。它通过条件化配置,根据类路径下存在的依赖自动配置相应的Bean。

@EnableAutoConfiguration注解的工作原理如下:

  • Spring Boot在启动过程中会扫描类路径下的所有jar包,并解析其中的META-INF/spring.factories文件;
  • 文件中的每个条目对应一个配置类,Spring Boot会自动创建这些配置类,并将它们注册到Spring容器中;
  • 配置类会根据类路径下存在的依赖,自动配置相应的Bean。
条件化配置(@Conditional)

条件化配置允许根据特定的条件选择性地配置Bean。常见的条件注解包括@ConditionalOnClass、@ConditionalOnMissingBean等。

自定义Starter开发

自定义Starter可以帮助开发者快速集成第三方库或自定义功能。开发自定义Starter需要创建一个Maven项目,并添加依赖管理。

起步依赖

起步依赖(Starters)是Spring Boot的核心特性之一,它允许开发者通过添加一个依赖来引入一组相关的库。

依赖管理机制(BOM文件)

BOM(Bill of Materials)文件用于管理Spring Boot项目的依赖关系。它确保了不同模块之间的依赖版本一致性。

版本冲突解决

版本冲突是依赖管理中常见的问题。Spring Boot提供了多种解决方案,如依赖树分析、使用更高版本的依赖等。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式,如声明式集成、配置式集成等。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了健康检查、度量指标收集等功能,帮助开发者监控应用程序的性能和健康状态。

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提供了多种健康检查端点,如/health、/health/liveness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支持多种度量指标收集库,如Micrometer。

自定义Endpoint开发

自定义Endpoint允许开发者根据需求添加自定义的健康检查端点。

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。它支持多环境配置、配置加载优先级和动态配置刷新。

多环境配置(application-{profile}.yml)

多环境配置允许开发者根据不同的环境(如开发、测试、生产)配置不同的参数。

配置加载优先级

Spring Boot按照以下顺序加载配置文件:

  1. 命名环境配置文件(如application-dev.yml)
  2. 默认配置文件(如application.yml)
  3. 外部配置文件(如命令行参数)
动态配置刷新

动态配置刷新允许开发者在不重启应用程序的情况下,更新配置信息。

监控与日志

Spring Boot提供了多种监控和日志配置选项,如Micrometer、Logback/SLF4J。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪,如Zipkin、Jaeger。

扩展机制

Spring Boot提供了多种扩展机制,如自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点、响应式编程支持等。

通过以上对JVM和Spring Boot知识体系的深入解析,我们可以看到这两个技术框架是如何相互关联和影响的。JVM作为Java程序的运行环境,为Spring Boot提供了运行基础;而Spring Boot则构建在JVM之上,提供了自动配置、模块化、监控等高级功能,使得Java开发更加高效和便捷。

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