JVM & Spring Boot核心解析-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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一、JVM知识体系

类加载机制

Java虚拟机（JVM）的类加载机制是Java程序能够动态扩展和运行的关键。在这个过程中，类加载器扮演着至关重要的角色。类加载器负责将类文件转换成JVM能够使用的Class对象，并确保每个类只有一个实例。

类加载过程

类加载过程大致可以分为以下三个阶段：

加载：在这一阶段，类加载器会找到类的字节码文件，通常位于.class文件中，将其读入内存，并生成一个Class对象。这一过程涉及到文件定位、文件读取和对象创建。
连接：类加载完成后，进入连接阶段。这一阶段主要负责验证Class对象中的信息是否符合JVM规范，包括字节码验证、符号引用验证等。此外，连接阶段还包括准备类在内存中的布局，如设置静态变量初始值等，并设置类的访问权限。
初始化：初始化阶段是类加载的最后一步，它负责执行类构造器（ ()方法）。这一阶段会执行类中的静态代码块和静态初始化器，完成类的初始化。

双亲委派模型

双亲委派模型是JVM中类加载器的工作模式，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。当一个类加载器请求加载一个类时，它会首先请求其父类加载器进行加载，只有当父类加载器无法完成这个请求时，子类加载器才会尝试自己去加载。

这种模型的设计理念是保证类型安全，防止不同版本的类库之间相互干扰。

自定义类加载器

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（如OSGi）中尤为重要。开发者可以通过自定义类加载器实现类隔离、资源加载、加密等需求。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一个模块化系统，它通过模块化来提高JVM的性能和安全性。模块化系统能够将应用程序分解成多个模块，每个模块包含一组相关的类和资源，模块之间通过模块依赖关系进行连接。

内存模型

JVM的内存模型包括运行时数据区和PC寄存器。

运行时数据区：包括堆、栈、方法区和PC寄存器。
- 堆：所有线程共享的内存区域，用于存放对象实例。堆内存是动态分配的，垃圾回收主要发生在堆内存中。
- 栈：每个线程都有自己的栈，用于存放局部变量和方法调用。栈内存是线程私有的，生命周期与线程相同。
- 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。方法区是所有线程共享的，生命周期与JVM相同。
- PC寄存器：每个线程都有一个程序计数器，用于指示下一条要执行的指令。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在堆内存不足时，常见场景包括：

创建大量对象：当应用程序创建的对象数量超过堆内存容量时，会发生内存溢出。
循环引用：循环引用会导致某些对象无法被垃圾回收器回收，从而导致内存泄漏。
内存泄漏：内存泄漏是指应用程序在运行过程中，由于疏忽或设计不当，导致内存无法被释放。

垃圾回收

垃圾回收是JVM自动管理内存的重要机制，它通过回收不再使用的对象来释放内存。

GC Roots可达性分析：从GC Roots开始，向上遍历可达的对象，这些对象被视为存活对象。
分代收集理论：将对象分为新生代（Young）和老年代（Old），新生代使用复制算法，老年代使用标记-清除或标记-整理算法。
引用类型：包括强引用、软引用、弱引用和虚引用，不同类型的引用对垃圾回收有不同的影响。

垃圾回收算法

标记-清除：标记所有存活对象，然后清除未被标记的对象。
复制：将对象分为两块，每次只使用其中一块，当这块用完时，将存活对象复制到另一块，并交换两块的角色。
整理：标记-清除算法的改进版，在清除未被标记的对象后，对堆内存进行整理。

并发收集器

CMS（Concurrent Mark Sweep）：一种以最短停顿时间为目标的收集器。
G1（Garbage-First）：一种面向服务端应用的收集器，旨在减少停顿时间。
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停顿时间，包括G1的暂停预测和ZGC的并发标记。

性能调优

JVM参数配置：通过调整JVM参数（如Xms、Xmx等）来优化性能。
内存泄漏诊断：使用工具（如MAT、VisualVM等）来诊断内存泄漏。
JIT编译优化：JVM使用即时编译（JIT）来优化代码执行。

二、Spring Boot知识体系

自动配置

Spring Boot的核心特性之一是自动配置，它通过分析类路径下的类和bean来自动配置Spring应用程序。自动配置能够大幅减少开发者的配置工作量，提高开发效率。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解是自动配置的入口，它通过条件化配置来启用自动配置。当Spring Boot启动时，它会扫描类路径下的类和bean，并根据条件化配置的规则，自动启用相应的配置。

条件化配置（@Conditional）

条件化配置允许根据特定的条件来启用或禁用配置。例如，可以使用@ConditionalOnClass注解来指定当存在某个类时，才启用相应的配置。

自定义Starter开发

自定义Starter可以帮助开发者将库和配置打包在一起，方便其他开发者使用。开发者可以通过创建一个包含所需依赖和自动配置的Maven项目，并将其发布到中央仓库，从而创建一个自定义Starter。

起步依赖

起步依赖是Spring Boot的核心特性，它允许开发者通过添加依赖来启用特定功能。例如，添加spring-boot-starter-web依赖，可以启用Spring MVC和Tomcat。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM（Bill of Materials）文件用于管理项目中的依赖版本，确保版本一致性。BOM文件定义了项目依赖的版本信息，从而避免因版本冲突导致的构建失败。

版本冲突解决

解决版本冲突的方法包括使用依赖继承、排除依赖和选择兼容版本。依赖继承是指将依赖关系从父项目继承到子项目，排除依赖是指明确指定不使用某个依赖，选择兼容版本是指选择与项目兼容的依赖版本。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式，包括直接依赖、依赖管理器依赖和自定义配置。直接依赖是指直接在项目中添加第三方库的依赖，依赖管理器依赖是指使用如Gradle或Maven等依赖管理器来管理第三方库的依赖，自定义配置是指通过配置文件或代码来配置第三方库。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了健康检查、度量指标收集和自定义端点等功能，它可以帮助开发者监控和管理Spring Boot应用程序。

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。通过访问/health端点，可以获取应用程序的健康信息，包括服务状态、数据库连接等。

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，如响应时间、错误率等。这些数据可以帮助开发者了解应用程序的性能状况，并对其进行优化。

自定义Endpoint开发

自定义Endpoint允许开发者扩展Actuator的功能。开发者可以通过实现Endpoint接口，创建自定义的端点，从而提供额外的监控和管理功能。

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、.yml或.yml.xml等格式。

多环境配置（application-{profile}.yml）

多环境配置允许开发者为不同的环境（如开发、测试、生产）定义不同的配置。通过设置不同的配置文件名，如application-dev.yml、application-test.yml等，可以为不同环境配置不同的参数。

配置加载优先级

配置加载优先级决定了配置文件之间的优先级关系。当存在多个配置文件时，Spring Boot会按照优先级从高到低的顺序加载配置。

动态配置刷新

动态配置刷新允许开发者实时更新配置而不需要重启应用程序。通过监听配置文件的变化，Spring Boot可以自动刷新配置，从而实现动态配置更新。

监控与日志

Spring Boot提供了多种监控和日志解决方案，包括Micrometer、Logback和SLF4J。

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了解应用程序中各个组件之间的调用关系，从而更好地定位和解决问题。

扩展机制

Spring Boot提供了多种扩展机制，包括自定义AutoConfigurationBean和生命周期扩展点。这些机制允许开发者根据需求扩展Spring Boot的功能。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，通过Spring WebFlux实现。响应式编程能够提高应用程序的并发性能，并降低资源消耗。

通过以上对JVM和Spring Boot知识体系的详细解析，我们可以看到这两个技术是如何相互关联和影响的。JVM作为Java应用程序的运行环境，为Spring Boot提供了底层支持和性能优化。而Spring Boot则利用JVM的特性，简化了Java应用程序的开发和维护。通过深入理解这些知识点，开发者可以更好地构建高性能、可维护的Java应用程序。

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