JVM & Spring Boot精要

📕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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JVM知识体系

类加载机制

在JVM中，类加载器（Class Loader）扮演着至关重要的角色。其核心任务是将类定义（通常是编译后的.class文件）转换成Java运行时能够使用的形式。类加载机制确保了Java程序中的类在运行前被正确加载、验证、准备以及初始化。

加载（Loading）

加载过程涉及查找和加载.class文件。在这一阶段，JVM会执行以下步骤：

• 类文件定位：通过类名在文件系统中查找.class文件。
• 字节码读取：将.class文件的内容读入JVM。
• Class对象创建：为每个类创建一个java.lang.Class对象。

连接（Linking）

连接过程包括验证、准备和解析三个子步骤：

• 验证：确保.class文件格式正确，没有安全问题和结构错误。
• 准备：为类变量分配内存，并将其初始化为默认值。
• 解析：将符号引用转换为直接引用，例如将类、接口、字段和方法常量池中的符号引用转换为直接引用。

初始化（Initialization）

初始化过程是类加载的最后一步，它执行类定义中的静态初始化器和静态变量赋值代码。这个过程确保了每个类在JVM中只初始化一次。

双亲委派模型

双亲委派模型（Parent Delegation Model）定义了类加载器的层次结构，其中Bootstrap ClassLoader是所有类加载器的父加载器，它负责加载核心API。应用程序类加载器（Application ClassLoader）和系统类加载器（System ClassLoader）负责加载应用程序的类路径中的类。

双亲委派模型的目的是防止类的重复加载，确保类型安全，并使得JVM能够区分不同版本的类。

自定义类加载器

Java允许开发者创建自定义类加载器来加载特定的类或资源。这可以通过继承ClassLoader类并重写findClass方法实现。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的模块化系统，它通过模块来组织代码，模块之间可以定义依赖关系。模块系统有助于提高代码的可维护性、减少运行时的依赖问题，并提高启动速度。

内存模型

JVM的内存模型包括多个区域，每个区域都有其特定的用途：

• 堆（Heap）：这是JVM中最大的内存区域，用于存储所有类实例和数组对象。
• 栈（Stack）：每个线程都有其私有的栈空间，用于存储局部变量和方法调用信息。
• 方法区（Method Area）：存储运行时常量池、字段和方法信息。
• PC寄存器：每个线程有一个PC寄存器，用于存储当前执行线程的指令地址。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在以下场景：

• 堆溢出：当堆空间无法容纳更多的对象时，会发生堆溢出。
• 栈溢出：当线程的栈空间无法容纳更多的栈帧时，会发生栈溢出。

垃圾回收

垃圾回收是JVM自动回收不再使用的内存的过程。垃圾回收算法主要包括以下几种：

• 标记-清除（Mark-Sweep）：首先标记所有可达对象，然后清除未标记的对象。
• 复制算法（Copying）：将内存分为两个相等的区域，每次只使用其中一个区域。当内存不足时，将存活的对象复制到另一个区域，并清空旧区域。
• 标记-整理（Mark-Compact）：类似于标记-清除，但之后还会将存活的对象移动到内存的一端，清理掉内存碎片。

性能调优

JVM性能调优涉及多个方面，包括：

• JVM参数配置：合理配置JVM参数，如堆大小、栈大小等。
• 内存泄漏诊断：使用内存分析工具，如MAT（Memory Analyzer Tool），来识别内存泄漏。
• JIT编译优化：JIT编译器可以将字节码编译成本地机器码，从而提高程序性能。

Spring Boot知识体系

自动配置

Spring Boot的自动配置功能基于条件化配置，它能够自动配置Spring应用。以下是自动配置的基本原理：

• @EnableAutoConfiguration：这个注解用于启用自动配置功能。
• 条件化配置（@Conditional）：Spring框架提供了多种条件注解，如@ConditionalOnClass、@ConditionalOnBean等，用于根据特定的条件应用配置。
• 自定义Starter：通过创建自定义Starter，可以简化依赖管理并自动配置特定功能。

起步依赖

Spring Boot的起步依赖（Starters）提供了一组预定义的依赖，这些依赖可以满足创建Spring应用所需的大部分需求。例如，spring-boot-starter-web提供了一个内嵌的Tomcat服务器和Web MVC框架。

依赖管理机制

Spring Boot使用Maven或Gradle来管理依赖。以下是依赖管理的关键点：

• BOM文件：BOM（Bill of Materials）文件定义了项目中所有依赖的版本，确保版本一致性。
• 依赖树：Maven和Gradle都会构建一个依赖树，以确保所有依赖的版本兼容。

第三方库集成

Spring Boot支持与第三方库的集成，如数据库、缓存、消息队列等。例如，通过添加spring-boot-starter-data-jpa依赖，Spring Boot会自动配置JPA（Java Persistence API）。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了一系列端点，用于监控和管理Spring应用。以下是Actuator的一些主要功能：

• 健康检查端点：用于检查应用的健康状态，如是否可以与数据库连接。
• 度量指标收集：用于收集应用的各种度量指标，如内存使用情况、HTTP请求计数等。
• 自定义Endpoint开发：允许开发者自定义端点，以暴露自定义的监控信息。

配置文件管理

Spring Boot使用配置文件来管理应用配置。以下是配置文件管理的关键点：

• 多环境配置：使用application-{profile}.yml文件来定义不同环境的配置，如开发、测试和生产环境。
• 配置加载优先级：配置文件优先级高于系统属性和JVM参数。
• 动态配置刷新：支持动态刷新配置，无需重启应用。

监控与日志

Spring Boot集成了Micrometer和Logback/SLF4J等监控和日志库。以下是监控和日志的关键点：

• Micrometer：用于集成各种监控系统，如Prometheus、Graphite等。
• Logback/SLF4J：用于管理日志记录，提供灵活的日志级别和格式化选项。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin、Jaeger等。分布式链路追踪有助于了解系统内部和外部的请求处理过程。

扩展机制

Spring Boot提供了多种扩展机制，如自定义AutoConfigurationBean、生命周期扩展点等。这允许开发者根据需要扩展Spring Boot的功能。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，如WebFlux、Reactor等。响应式编程模型使得应用程序能够更好地处理异步操作和事件驱动场景。

总结

本文详细解析了JVM和Spring Boot的知识体系，涵盖了类加载机制、内存模型、垃圾回收、自动配置、依赖管理、监控与日志等多个方面。通过对这些知识点的理解，可以帮助开发者更好地掌握Java应用开发。

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