JVM与Spring Boot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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JVM知识体系详解

类加载机制

Java虚拟机（JVM）的类加载机制是确保Java程序能够正常运行的关键部分。在Java运行时，类加载器负责将Java源代码编译成的.class文件加载到JVM中，并生成对应的Class对象。类加载机制分为加载、连接和初始化三个主要步骤。

1. 加载（Loading）：在这个过程中，JVM会通过类加载器读取.class文件，并将其内容读入内存。这个过程涉及到字节码文件的读取、解析以及Class对象的创建。类加载器有多种类型，包括Bootstrap ClassLoader、Extension ClassLoader和Application ClassLoader等。

2. 连接（Linking）：连接阶段包括验证、准备和解析三个子步骤。验证确保.class文件的有效性，包括字节码的合法性、符号表的正确性等。准备阶段为类变量分配内存，并设置默认初始值。解析阶段则是将符号引用转换为直接引用。

3. 初始化（Initialization）：初始化阶段负责初始化类变量，并执行静态代码块。这个过程在类加载完成后，但在Java程序开始执行main方法之前完成。

类加载过程

类加载过程是类加载机制的具体实现，它涉及到类加载器、.class文件、Class对象等多个组件。

• 加载：类加载器首先尝试从类路径中查找指定的.class文件，然后将其读入内存，创建Class对象。

• 连接：连接阶段包括验证、准备和解析。验证确保.class文件中的字节码是有效的，没有安全问题。准备阶段为类变量分配内存，并设置默认初始值。解析阶段将符号引用转换为直接引用。

• 初始化：初始化阶段执行类的静态初始化代码块，对类变量进行初始化，并设置类对象。

双亲委派模型

双亲委派模型是JVM中的一种类加载策略，它规定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。当需要加载一个类时，类加载器首先将请求委派给父类加载器，只有父类加载器无法完成类加载任务时，才自己去加载。

自定义类加载器

自定义类加载器允许开发者根据需要加载特定的类。通过继承ClassLoader类或实现ClassLoader接口，可以创建自定义类加载器。自定义类加载器可以用来加载本地代码库、网络资源或特定格式的文件。

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应用程序的模块化进行了标准化。JPMS通过模块定义文件module-info.java来定义模块，并通过模块间依赖关系来组织模块。模块化系统能够提高应用程序的安全性、性能和可维护性。

内存模型

JVM的内存模型包括运行时数据区、堆、栈、方法区和PC寄存器。

• 堆：堆是存储对象实例和数组的地方，是动态分配的内存空间。JVM使用垃圾回收机制自动管理堆内存。

• 栈：栈是存储局部变量和方法调用栈的地方，是线程私有的内存空间。

• 方法区：方法区存储类信息、常量、静态变量等。

• PC寄存器：PC寄存器存储当前线程所执行的指令的地址。

内存溢出场景分析

内存溢出是指JVM的内存使用超出其最大限制。常见的内存溢出场景包括堆内存溢出、栈内存溢出和方法区溢出。

• 堆内存溢出：通常由于创建大量对象导致，可以通过减少对象创建、使用弱引用或外部缓存等方式解决。

• 栈内存溢出：通常由于递归调用或方法调用栈过深导致，可以通过减少递归深度或使用线程池等方式解决。

• 方法区溢出：通常由于加载大量类或类信息过大导致，可以通过减少类加载或优化类设计等方式解决。

直接内存管理

直接内存管理是指JVM通过java.nio包提供的ByteBuffer类来管理直接内存。直接内存不受JVM堆内存管理，因此不受堆内存限制。直接内存可以用于大块数据的高速传输，例如网络通信和文件I/O。

垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动管理内存的一种机制。GC通过标记-清除、复制、整理等算法来回收不再使用的对象占用的内存。GC算法的选择和参数的设置对JVM的性能有很大影响。

GC Roots可达性分析

GC Roots是指那些直接或间接指向对象引用的根对象。GC通过从GC Roots开始，向上遍历整个对象图，来确定哪些对象是可达的，从而决定哪些对象可以被回收。

分代收集理论

分代收集理论将JVM的堆内存划分为几个不同的区域，每个区域对应不同的回收策略。常见的分代包括新生代和旧生代。

• 新生代：用于存放新生代对象，垃圾回收频率较高。

• 旧生代：用于存放经过多次Minor GC后仍然存活的对象，垃圾回收频率较低。

引用类型

Java中的引用类型包括强引用、软引用、弱引用和虚引用。

• 强引用：默认的引用类型，不会被垃圾回收器回收。

• 软引用：用于缓存，当内存不足时会被回收。

• 弱引用：类似于软引用，但可以被垃圾回收器随时回收。

• 虚引用：没有任何实际意义，仅用于帮助垃圾回收器回收对象。

垃圾回收算法

常见的垃圾回收算法包括标记-清除、复制和整理。

• 标记-清除：标记可达对象，清除未被标记的对象。

• 复制：将对象复制到另一个区域，回收原区域。

• 整理：移动存活对象，回收空间。

并发收集器

并发收集器允许GC与应用程序同时运行，从而减少应用程序的停顿时间。常见的并发收集器包括CMS（Concurrent Mark Sweep）和G1（Garbage-First）。

停顿时间控制策略

停顿时间控制策略旨在减少GC导致的停顿时间。常见的策略包括自适应策略和预测策略。

性能调优

性能调优包括对JVM参数的配置和优化。常见的JVM参数包括Xms和Xmx。

内存泄漏诊断

内存泄漏是指程序中不再使用的对象占用的内存无法被回收。诊断内存泄漏的方法包括分析堆转储文件和使用内存分析工具。

JIT编译优化

JIT编译器是JVM的一个组件，它将Java字节码编译成本地机器代码，以提高程序的执行效率。JIT编译优化包括方法内联、循环优化和分支预测。

Spring Boot知识体系详解

自动配置

Spring Boot的自动配置功能允许开发者通过添加一些注解和配置文件来简化Spring应用的配置。自动配置的核心是@EnableAutoConfiguration注解。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解通过查找类路径下的所有符合条件的配置类，并自动配置Spring应用。符合条件的配置类通常包含@Configuration、@Bean等注解。

条件化配置（@Conditional）

条件化配置允许开发者根据特定的条件来启用或禁用配置。常见的条件注解包括@ConditionalOnClass和@ConditionalOnMissingBean。

自定义Starter开发

自定义Starter可以帮助开发者将第三方库或自定义功能封装成Spring Boot Starter，方便其他开发者使用。

起步依赖

起步依赖是Spring Boot提供的简化依赖管理的方式。通过添加起步依赖，可以自动添加所需的库和依赖。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM（Bill of Materials）文件是Spring Boot依赖管理的一个特性，它将所有依赖的版本信息集中在一个文件中，以确保不同项目的依赖版本一致性。

版本冲突解决

版本冲突是指两个或多个依赖之间版本不兼容的情况。解决版本冲突的方法包括使用依赖树分析工具和手动调整依赖版本。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式，包括自动配置和手动配置。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了一系列端点，用于监控和管理Spring Boot应用。常见的端点包括健康检查端点和度量指标收集端点。

自定义Endpoint开发

开发者可以通过实现Endpoint接口来创建自定义端点，从而扩展Actuator的功能。

配置文件管理

Spring Boot支持多环境配置，允许开发者根据不同的环境（如开发、测试、生产）使用不同的配置文件。配置文件通常以application-{profile}.yml的形式命名。

配置加载优先级

配置文件的加载优先级如下：命令行参数、系统环境变量和配置文件。

动态配置刷新

Spring Boot支持动态配置刷新，允许开发者在不重启应用的情况下更新配置。

监控与日志

Spring Boot集成了一系列监控和日志框架，如Micrometer、Logback/SLF4J等。

分布式链路追踪扩展机制

Spring Boot支持分布式链路追踪，允许开发者追踪跨服务调用的过程。

自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点

开发者可以通过实现AutoConfigurationImportSelector接口来扩展AutoConfigurationBean的生命周期。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，允许开发者使用Reactor、Project Reactor等响应式编程框架来构建应用。

通过以上对JVM和Spring Boot知识体系的详细解析，我们可以更好地理解这两个框架的工作原理和设计思想。在实际开发过程中，结合这些知识点，我们可以更有效地构建高性能、可维护的Java应用。

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