JVM与Spring Boot核心解析

📕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。

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一、JVM知识体系

JVM（Java Virtual Machine）是Java语言的运行时环境，它负责将Java代码编译成的字节码指令转换为机器码，使得Java程序可以在不同的操作系统上运行。JVM的设计与实现涉及诸多技术细节，以下将详细介绍JVM的知识体系。

类加载机制

类加载机制是JVM的核心功能之一，它负责将类的.class文件加载到JVM中。类加载过程可以分为三个阶段：加载、连接、初始化。

1. 加载：加载过程包括查找和加载类的.class文件。在加载过程中，JVM会使用类加载器查找类文件，类加载器分为启动类加载器、扩展类加载器和应用类加载器。启动类加载器负责加载JDK内部的类库，扩展类加载器负责加载JDK的扩展库，应用类加载器负责加载应用程序中的类。JVM会按照类加载器双亲委派模型进行加载，即先由父类加载器尝试加载，如果父类加载器无法加载，则由子类加载器尝试加载。

2. 连接：连接过程包括验证、准备和解析。

   • 验证：验证过程确保加载的类信息符合JVM规范，包括字节码的合法性、符号引用的合法性等。验证过程分为类文件验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证。
   • 准备：准备过程为类变量分配内存并设置默认初始值。对于基本数据类型，类变量初始值为0、false或null；对于引用类型，类变量初始值为null。
   • 解析：解析过程将符号引用转换为直接引用。符号引用是编译时生成的，直接引用是运行时直接指向对象的引用。

3. 初始化：初始化过程是执行类构造器 ()方法的过程，初始化类变量并执行静态代码块。初始化过程是在类加载完成后，类被使用前触发的。

双亲委派模型

双亲委派模型是一种类加载机制，它要求除了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。这种模型确保了类加载的稳定性，避免不同类加载器加载同一个类产生冲突。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一个模块化系统，它将JVM和Java平台分成多个模块，以提高性能和安全性。模块化系统通过模块描述符文件（module-info.java）来定义模块的依赖关系，JVM在启动时加载模块，并按照模块的依赖关系进行类加载。

内存模型

JVM的内存模型主要包括运行时数据区和PC寄存器。

1. 运行时数据区：

   • 堆：堆是所有线程共享的区域，用于存放对象实例和数组的内存。堆的大小可以通过JVM参数进行调整。
   • 栈：栈是线程私有的区域，用于存放线程执行栈帧的内存。栈帧包括局部变量表、操作数栈、方法出口等信息。
   • 方法区：方法区用于存放已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据。方法区的大小可以通过JVM参数进行调整。
   • PC寄存器：每个线程都有一个PC寄存器，用于存储下一条要执行的指令的地址。

2. 内存溢出场景分析：

   • 堆溢出：当应用程序创建的对象过多，超过了堆的内存容量时，就会发生堆溢出。可以通过增加堆内存大小或优化代码结构来避免堆溢出。
   • 栈溢出：当线程调用栈深度过大时，就会发生栈溢出。可以通过增加栈大小或优化代码结构来避免栈溢出。

垃圾回收

垃圾回收是JVM的一个重要功能，它负责回收不再使用的对象占用的内存空间。

1. GC Roots可达性分析：垃圾回收器通过GC Roots对象找到所有可达对象，不可达对象被视为垃圾。GC Roots包括方法区中静态引用、栈中引用、本地方法栈中引用等。

2. 分代收集理论：JVM将堆内存分为Young、Old、Permanent三个区域，分别用于存放不同生命周期阶段的对象。Young区存放新生代对象，Old区存放老年代对象，Permanent区存放永久代对象。

3. 引用类型：引用类型包括强引用、软引用、弱引用和虚引用。

   • 强引用：最常用的引用类型，当对象被强引用时，垃圾回收器不会回收该对象。
   • 软引用：当内存不足时，垃圾回收器会回收软引用指向的对象。
   • 弱引用：当对象仅被弱引用指向时，垃圾回收器会回收该对象。
   • 虚引用：虚引用相当于一个引用的幽灵，垃圾回收器会回收被虚引用指向的对象。

4. 垃圾回收算法：

   • 标记-清除：通过标记和清除来回收垃圾。标记过程遍历所有对象，标记可达对象；清除过程遍历所有对象，清除未标记的对象。
   • 复制算法：将堆内存分为两块，每次只使用其中一块，当这块内存满了，将存活的对象复制到另一块，清空当前块。复制算法可以提高垃圾回收效率，但会降低空间利用率。
   • 整理算法：对堆内存进行整理，使所有存活的对象都紧密排列在一起。整理算法可以提高空间利用率，但会降低垃圾回收效率。

5. 并发收集器：

   • CMS（Concurrent Mark Sweep）：一种并发收集器，它将垃圾回收分为标记和清除两个阶段，在标记阶段暂停应用程序，清除阶段并发进行。
   • G1（Garbage-First）：一种基于区域（Region）的并发收集器，它将堆内存分为多个区域，优先回收垃圾最多的区域。
   • ZGC（Z Garbage Collector）：一种低延迟的并发收集器，它采用指针压缩和读屏障等技术，减少垃圾回收的停顿时间。

6. 停顿时间控制策略：JVM通过调整垃圾回收算法和参数，控制垃圾回收的停顿时间。例如，可以通过调整G1的回收策略，将停顿时间控制在一定范围内。

7. 性能调优：

   • JVM参数配置：通过配置JVM参数（如-Xms、-Xmx等）来优化性能。例如，可以通过设置堆内存大小，控制垃圾回收的频率和停顿时间。
   • 内存泄漏诊断：通过分析堆转储文件等手段，诊断内存泄漏问题。例如，可以使用MAT（Memory Analyzer Tool）等工具分析堆转储文件，找出内存泄漏的原因。

8. JIT编译优化：JIT编译器在运行时对热点代码进行优化，提高程序执行效率。例如，JIT编译器可以将热点代码编译成本地机器码，提高程序执行速度。

二、Spring Boot知识体系

Spring Boot是Spring框架的一个模块，它简化了Spring应用的创建和配置过程。Spring Boot通过提供自动配置、起步依赖、第三方库集成等特性，降低了Spring应用的开发难度。

自动配置

Spring Boot的自动配置功能能够根据添加的依赖自动配置Spring框架。

1. @EnableAutoConfiguration原理：通过@EnableAutoConfiguration注解，Spring Boot会自动扫描添加的依赖，根据依赖中的类自动配置Spring框架。例如，如果项目中添加了Spring Web依赖，Spring Boot会自动配置Spring MVC和Thymeleaf等组件。

2. 条件化配置（@Conditional）：通过@Conditional注解，可以控制自动配置的条件，实现更加灵活的配置。例如，可以使用@ConditionalOnProperty注解，根据配置文件中的属性值来决定是否进行自动配置。

3. 自定义Starter开发：通过自定义Starter项目，可以将自己的依赖和配置封装起来，方便其他开发者使用。例如，可以创建一个自定义Starter项目，将数据库连接池、缓存等依赖封装起来，方便其他开发者使用。

起步依赖

Spring Boot的起步依赖是Spring框架和其他依赖的集合，它简化了依赖管理。

1. 依赖管理机制：Spring Boot使用Maven或Gradle的依赖管理机制，通过配置pom.xml或build.gradle文件来管理依赖。例如，可以通过添加spring-boot-starter-web依赖，自动引入Spring MVC和Thymeleaf等组件。

2. BOM文件：BOM（Bill of Materials）文件用于管理多个模块之间的依赖关系。例如，Spring Boot的BOM文件定义了Spring框架及其相关模块的版本依赖关系。

3. 版本冲突解决：Spring Boot使用dependency management依赖管理，自动解决版本冲突问题。例如，如果项目中存在版本冲突，Spring Boot会自动选择合适的版本进行替换。

第三方库集成

Spring Boot支持第三方库的集成，包括数据库连接池、缓存、消息队列等。

1. 数据库连接池：Spring Boot支持集成HikariCP、Druid等数据库连接池。通过配置数据源，Spring Boot可以自动管理数据库连接池。

2. 缓存：Spring Boot支持集成Redis、Memcached等缓存。通过配置缓存管理器，Spring Boot可以自动管理缓存。

3. 消息队列：Spring Boot支持集成RabbitMQ、Kafka等消息队列。通过配置消息队列模板，Spring Boot可以自动管理消息队列。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了一系列端点，用于监控和管理Spring Boot应用。

1. 健康检查端点：通过/health端点，可以获取应用的运行状态。例如，可以检查数据库连接是否正常、缓存是否可用等。

2. 度量指标收集：通过/metrics端点，可以获取应用的性能指标。例如，可以获取应用的请求量、响应时间等指标。

3. 自定义Endpoint开发：可以通过实现Endpoint接口来开发自定义的端点。例如，可以开发一个自定义端点，用于获取应用的日志信息。

配置文件管理

Spring Boot使用配置文件来管理应用配置。

1. 多环境配置：通过application-{profile}.yml文件，可以为不同环境配置不同的应用参数。例如，可以通过application-dev.yml和application-prod.yml来分别配置开发环境和生产环境。

2. 配置加载优先级：Spring Boot会按照优先级从高到低的顺序加载配置文件。例如，会优先加载application.yml，然后是application-dev.yml。

3. 动态配置刷新：Spring Boot支持动态刷新配置文件。例如，可以通过HTTP请求来刷新配置文件。

监控与日志

Spring Boot提供了一些监控和日志的工具。

1. Micrometer集成：Micrometer是一个度量指标库，Spring Boot可以通过Micrometer集成多种监控工具。例如，可以集成Prometheus、Grafana等监控工具。

2. Logback/SLF4J配置：Spring Boot默认使用Logback作为日志框架，可以通过配置文件来设置日志级别、日志格式等。例如，可以设置日志级别为INFO，并设置日志格式为JSON。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，例如Zipkin和Jaeger。

1. Zipkin：Zipkin是一个开源的分布式追踪系统，可以追踪分布式系统的请求链路。Spring Boot可以通过集成Zipkin客户端，将应用日志发送到Zipkin服务器，实现分布式链路追踪。

2. Jaeger：Jaeger是一个开源的分布式追踪系统，可以追踪分布式系统的请求链路。Spring Boot可以通过集成Jaeger客户端，将应用日志发送到Jaeger服务器，实现分布式链路追踪。

扩展机制

Spring Boot提供了一些扩展机制，例如：

1. 自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点：通过实现Spring Bean的生命周期接口，可以自定义Bean的初始化和销毁逻辑。例如，可以实现BeanPostProcessor接口，在Bean初始化和销毁时执行自定义逻辑。

2. 响应式编程支持：Spring Boot支持响应式编程，通过Reactor和Project Reactor等库来实现。例如，可以使用WebFlux框架来构建响应式Web应用。

通过以上知识点的串联，我们可以更好地理解JVM和Spring Boot的原理和应用，从而在开发过程中更加高效地使用它们。

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