Java JVM & Spring Boot核心知识-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

JVM（Java虚拟机）是Java程序运行的基础，它负责将Java代码编译成字节码，并在运行时管理这些字节码的执行。以下是JVM知识体系的关键知识点及其技术实现细节：

类加载机制

类加载机制是JVM的核心机制之一，负责将类定义从文件系统或网络中加载到JVM中。类加载过程主要包括三个阶段：加载、连接和初始化。

加载：类加载器查找并加载指定的类文件，创建一个Class对象。在加载过程中，JVM会使用类加载器查找类文件，通常包括Bootstrap ClassLoader、Extension ClassLoader和Application ClassLoader。Bootstrap ClassLoader负责加载核心库，Extension ClassLoader负责加载扩展库，Application ClassLoader负责加载应用程序的类。
连接：连接过程包括验证、准备和解析三个步骤，确保类的正确性并准备类在内存中的布局。验证阶段通过字节码验证器确保字节码的正确性；准备阶段为类变量分配内存并设置默认值；解析阶段将符号引用转换为直接引用。
初始化：初始化阶段为类变量赋予初始值，执行静态代码块。初始化过程是类加载过程的最后一个阶段，当使用new关键字创建对象、访问静态变量或调用静态方法时，JVM会执行初始化过程。

双亲委派模型

双亲委派模型是类加载器的一种委派机制，当需要加载一个类时，首先委托给父类加载器进行加载，如果父类加载器无法加载，再由子类加载器加载。这种模型有助于避免类名冲突，确保Java程序的安全性。

自定义类加载器

自定义类加载器允许开发者根据需要自定义类加载策略，如实现特定协议的类加载、热部署等。自定义类加载器需要继承ClassLoader类并重写findClass方法，以实现类文件的查找和加载。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一种模块化系统，它将Java平台分为多个模块，每个模块包含一组类和资源，以实现更好的隔离性和安全性。模块化系统通过模块描述符文件（module-info.java）定义模块的依赖关系和模块属性。

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：存储对象实例和数组，采用分代收集算法进行垃圾回收。
- 栈：存储局部变量和方法调用栈，每个线程拥有独立的栈空间。
- 方法区：存储类信息、常量、静态变量等，采用固定大小的内存分配策略。
- PC寄存器：用于指示当前执行的指令地址。

内存溢出场景分析

内存溢出是指JVM消耗了所有可用内存，导致程序无法正常运行。常见场景包括：

堆内存溢出：对象实例过多，如大量循环创建对象。可以通过调整JVM堆内存大小、优化对象创建方式等方法解决。
栈内存溢出：方法调用深度过大，如递归调用。可以通过优化算法、减少递归深度等方法解决。
方法区溢出：类定义过多，如大量第三方库。可以通过优化类加载策略、减少第三方库依赖等方法解决。

垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动回收不再使用的对象占用的内存。垃圾回收过程主要包括以下步骤：

GC Roots可达性分析：从GC Roots开始，遍历所有可达对象，确定需要回收的对象。GC Roots通常包括静态变量、常量池、方法区等。
分代收集理论：将对象分为新生代（Young）、老年代（Old）和永久代（Perm），针对不同代采用不同的回收策略。新生代采用复制算法，老年代采用标记-清除或标记-整理算法。
引用类型：分为强引用、软引用、弱引用和虚引用，影响对象在GC过程中的回收时机。强引用是最常见的引用类型，软引用和弱引用适用于缓存场景，虚引用适用于对象回收的最后阶段。

垃圾回收算法

常见的垃圾回收算法包括：

标记-清除算法：分为标记和清除两个阶段，但存在内存碎片问题。
复制算法：将内存分为两块，每次只使用其中一块，当这块内存快满时，将存活对象复制到另一块，回收旧内存。这种算法适用于新生代，因为新生代对象生命周期较短。
整理算法：对内存进行整理，减少内存碎片。这种算法适用于老年代，因为老年代对象生命周期较长。

并发收集器

并发收集器在应用程序运行期间进行垃圾回收，减少停顿时间。常见的并发收集器包括CMS和G1。

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器：适用于对响应时间有较高要求的场景，通过减少停顿时间来提高应用程序性能。
G1（Garbage-First）收集器：适用于大内存场景，通过将堆内存划分为多个区域，优先回收垃圾回收价值较高的区域，降低停顿时间。

停顿时间控制策略

停顿时间控制策略旨在减少垃圾回收带来的停顿时间，如G1的并发标记阶段。G1通过并发标记阶段和并发清理阶段，将停顿时间控制在可接受的范围内。

性能调优

性能调优包括JVM参数配置和内存泄漏诊断。

JVM参数配置：如-Xms、-Xmx等，用于控制堆内存大小。可以通过JVM启动参数或JVM运行时参数进行调整。
内存泄漏诊断：通过工具分析内存使用情况，找出内存泄漏的原因。常用的内存泄漏诊断工具包括VisualVM、MAT（Memory Analyzer Tool）等。

JIT编译优化

JIT编译器将字节码编译成本地机器码，提高程序运行效率。JIT编译优化包括方法内联、循环展开、逃逸分析等。

二、Spring Boot知识体系

Spring Boot是简化Spring应用开发的框架，以下是其核心知识点及其技术实现细节：

自动配置

自动配置是Spring Boot的核心特性之一，它通过自动配置类（如@ConfigurationProperties）和条件化配置（@Conditional）实现自动配置。自动配置类根据项目依赖和类路径中的类，自动配置相应的Bean。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解通过扫描项目中的类，根据类注解和依赖关系自动配置相应的Bean。Spring Boot启动时会扫描类路径下的所有jar包，查找@EnableAutoConfiguration注解的类，并自动配置相应的Bean。

条件化配置（@Conditional）

条件化配置允许根据特定条件启用或禁用配置，如根据类路径、属性值等。条件化配置注解包括@ConditionalOnClass、@ConditionalOnBean、@ConditionalOnProperty等。

自定义Starter开发

自定义Starter可以帮助开发者将项目依赖和配置封装成一个可重用的模块。自定义Starter需要创建一个Maven项目，添加必要的依赖和配置，并打包成jar包。

起步依赖

起步依赖（Starter）是Spring Boot提供的一组预定义的依赖，用于简化项目构建。起步依赖通过Maven或Gradle的方式引入，包含项目所需的各种依赖和配置。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM（Bill of Materials）文件用于统一管理项目中的依赖版本，解决版本冲突问题。BOM文件定义了项目依赖的版本信息，确保项目在不同环境中的一致性。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式，如自动配置、自定义配置等。自动配置模式通过自动配置类实现，自定义配置模式需要手动配置相应的Bean。

Actuator

Actuator是Spring Boot提供的监控和管理应用的工具，包括健康检查、度量指标收集和自定义Endpoint开发。Actuator通过HTTP接口提供应用状态和配置信息，方便开发者监控和管理应用。

配置文件管理

Spring Boot支持多环境配置，如通过application-{profile}.yml文件实现不同环境下的配置。配置文件采用YAML格式，支持多种数据类型和嵌套结构。

配置加载优先级

Spring Boot根据配置文件路径和名称确定配置加载优先级，确保正确加载配置。配置文件优先级由高到低依次为：命令行参数、环境变量、系统属性、application.yml、application-{profile}.yml。

动态配置刷新

Spring Boot支持动态刷新配置，允许在应用运行期间修改配置并立即生效。动态配置刷新通过Spring Cloud Config实现，支持配置中心、配置客户端等功能。

监控与日志

Spring Boot集成Micrometer进行监控，并支持Logback/SLF4J日志框架。Micrometer提供多种监控指标和度量指标收集方式，方便开发者监控应用性能。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如使用Zipkin或Jaeger。分布式链路追踪可以追踪跨服务调用的过程，帮助开发者定位问题。

扩展机制

Spring Boot提供自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点和响应式编程支持，方便开发者扩展和定制应用。自定义扩展点包括AutoConfigureAfter、AutoConfigureBefore等。

通过以上对JVM和Spring Boot知识体系的详细介绍，相信您已经对这些知识点有了更深入的了解。在实际应用中，我们可以根据具体情况灵活运用这些知识，优化程序性能和开发效率。希望本文对您有所帮助。

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