JVM与Spring Boot揭秘-CSDN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、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。

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在深入探讨Java虚拟机（JVM）的知识体系之前，我们需要理解JVM在Java生态系统中的核心地位。JVM是Java语言运行时环境，它不仅负责将Java字节码转换为机器码，还提供了内存管理、垃圾回收、多线程等功能，为Java应用程序的执行提供了强大的支撑。

类加载机制

类加载机制是JVM的核心功能之一，它确保了Java应用程序中的类能够在运行时被正确加载。这个过程涉及以下几个关键阶段：

加载（Loading）：在加载阶段，JVM通过类加载器查找并加载类文件。类加载器负责将类文件读取到内存中，并创建一个Class对象来表示该类。
验证（Verification）：验证阶段确保类文件符合JVM规范，包括字节码的完整性、符号引用的正确性等。这个过程可以防止恶意代码对JVM的破坏。
准备（Preparation）：在准备阶段，JVM为类变量分配内存并设置默认初始值。对于基本数据类型，初始值为0或false；对于引用类型，初始值为null。
解析（Resolution）：解析阶段将符号引用转换为直接引用，即将类、接口、字段和方法的符号引用替换为直接引用。
初始化（Initialization）：初始化阶段是类加载的最后阶段，它执行类变量的初始化代码，包括静态初始化器和静态语句块。

类加载过程

类加载过程可以细分为以下几个步骤：

加载：查找并加载类的定义信息，包括类文件、接口文件等。
链接：包括验证、准备和解析三个阶段。
初始化：执行类的初始化代码，包括静态初始化器和静态语句块。

双亲委派模型

双亲委派模型是JVM中类加载机制的一个关键特点。它规定类加载器首先请求其父类加载器加载类，只有当父类加载器无法加载该类时，才由自己加载。这种模型的目的是确保类加载的一致性和安全性。

自定义类加载器

开发者可以通过继承ClassLoader类或实现ClassLoader接口来创建自定义类加载器。自定义类加载器可以用于加载特定来源的类文件，如外部jar包、网络资源等。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的模块化系统，它通过模块定义了JVM的运行时环境，使得JVM能够更好地管理类和资源。模块化系统可以减少类冲突、提高启动速度和内存使用效率。

内存模型

JVM的内存模型包括以下几个部分：

运行时数据区：包括堆、栈、方法区和PC寄存器。
- 堆：存储所有类的实例和数组的对象。堆是垃圾回收的主要区域，分为新生代和老年代。
- 栈：存储局部变量和方法调用栈。每个线程都有自己的栈。
- 方法区：存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等。方法区是永久代或元空间的存储区域。
- PC寄存器：用于存储指向下一条要执行的指令的地址。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在以下场景：

堆内存溢出：创建的对象过多或单个对象占用空间过大，导致堆内存耗尽。
栈内存溢出：方法调用深度过大，导致栈内存耗尽。
方法区溢出：加载的类过多或单个类占用空间过大，导致方法区内存耗尽。

垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动回收不再使用的对象所占用的内存。垃圾回收的过程包括以下几个步骤：

GC Roots可达性分析：从GC Roots开始，向上遍历，确定哪些对象是可达的。
标记-清除：标记所有可达对象，然后清除未标记的对象。
复制算法：将对象在堆中分成两个部分，每次只使用其中一个部分。
标记-整理：标记可达对象，然后移动并整理对象。

垃圾回收算法

常见的垃圾回收算法有：

标记-清除：标记所有可达对象，然后清除未标记的对象。
复制算法：将对象在堆中分成两个部分，每次只使用其中一个部分。
标记-整理：标记可达对象，然后移动并整理对象。

并发收集器

并发收集器包括：

CMS（Concurrent Mark Sweep）：一种以降低停顿时间为目标的收集器。
G1（Garbage-First）：一种面向服务端应用的高效收集器。
ZGC（Z Garbage Collector）：一种低延迟的垃圾收集器。

停顿时间控制策略

JVM提供了多种策略来控制垃圾回收的停顿时间，如：

自适应策略：根据历史数据调整GC的运行。
预测策略：根据程序行为预测GC的最佳时间。

性能调优

性能调优包括：

JVM参数配置：通过设置参数如-Xms和-Xmx来调整堆内存大小。
内存泄漏诊断：使用工具如MAT（Memory Analyzer Tool）来诊断内存泄漏。

JIT编译优化

JIT编译器是JVM的一部分，它将字节码即时编译成本地机器码，以提高程序性能。JIT编译器可以根据程序运行时的性能数据，动态优化字节码，从而提高程序运行效率。

Spring Boot是一个开源的Java框架，旨在简化Spring应用的初始搭建以及开发过程。Spring Boot通过自动配置、起步依赖、Actuator等特性，极大地提高了开发效率。

自动配置

Spring Boot的核心特性之一是自动配置。自动配置允许Spring Boot根据添加的jar依赖自动配置Spring应用程序。这种自动配置机制是基于条件化配置实现的。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解是自动配置的关键。它通过条件化配置来实现自动配置。条件化配置允许Spring根据特定的条件来启用或禁用配置。

条件化配置（@Conditional）

条件化配置允许Spring根据特定的条件来启用或禁用配置。条件化配置可以使用注解或编程方式实现。

自定义Starter开发

开发者可以通过创建自定义Starter来提供自动配置功能。自定义Starter可以将特定的依赖和自动配置打包成一个jar包，方便开发者使用。

起步依赖

起步依赖（Starter POMs）是Spring Boot提供的简化依赖管理的工具。起步依赖包含了一组预定义的依赖关系，可以方便地引入Spring Boot应用程序所需的库。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM（Bill of Materials）文件用于定义项目中所有依赖的版本，以确保版本一致性。BOM文件可以避免版本冲突，并确保项目中的依赖版本一致。

版本冲突解决

解决版本冲突的方法包括使用依赖管理工具和手动排除依赖。依赖管理工具如Maven和Gradle可以自动解决版本冲突，而手动排除依赖则需要开发者手动修改依赖关系。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库的集成模式，包括依赖注入、事件驱动等。Spring Boot提供了丰富的注解和配置方式，方便开发者集成第三方库。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了一系列端点，用于监控和管理应用程序。这些端点可以提供应用程序的健康状态、度量指标、日志信息等。

健康检查端点

健康检查端点允许应用程序报告其健康状态。Spring Boot提供了@HealthIndicator注解，用于定义健康检查逻辑。

度量指标收集

Actuator支持收集应用程序的度量指标，如内存使用情况、线程数量等。这些度量指标可以用于监控应用程序的性能和资源使用情况。

自定义Endpoint开发

开发者可以自定义Endpoint来提供自定义的监控和管理功能。自定义Endpoint可以通过实现Endpoint接口或使用@Endpoint注解定义。

配置文件管理

Spring Boot使用配置文件来管理应用程序的配置，支持多环境配置。配置文件可以是.properties文件、.yml文件或.xml文件。

多环境配置（application-{profile}.yml）

Spring Boot支持多环境配置，通过配置文件名称来区分不同的环境。例如，application-dev.yml用于开发环境，application-prod.yml用于生产环境。

配置加载优先级

Spring Boot按照特定的优先级加载配置文件。配置文件优先级如下：

命令行参数
系统环境变量
配置文件
jar包内的配置文件

动态配置刷新

Spring Boot支持动态刷新配置，以便在不重启应用程序的情况下更新配置。动态配置刷新可以通过@RefreshScope注解实现。

监控与日志

Spring Boot提供了集成监控和日志的解决方案，如Micrometer和Logback/SLF4J。这些解决方案可以方便地监控应用程序的性能和资源使用情况，并记录应用程序的日志信息。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin和Jaeger。分布式链路追踪可以帮助开发者追踪分布式应用程序的请求路径，并分析应用程序的性能问题。

扩展机制

Spring Boot提供了扩展机制，允许开发者自定义AutoConfigurationBean和生命周期扩展点。扩展机制可以用于自定义Spring Boot的行为和功能。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，通过Spring WebFlux实现。响应式编程可以提供更好的并发性能和资源利用率。

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框架在Java生态系统中的重要性。JVM作为Java语言的运行时环境，为Java应用提供了高效的执行平台；而Spring Boot则简化了Spring应用的开发过程，提高了开发效率。两者相互配合，为Java开发者提供了强大的工具和平台。

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