JVM与Spring Boot详解

📕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。

Java程序员廖志伟

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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应用程序能够动态运行的关键。这个过程不仅涉及到类文件的加载,还包括类的验证、准备、解析和初始化等步骤。

  1. 加载(Loading):在这一步,JVM的类加载器会查找并获取类的定义。这个过程通常包括以下步骤:

    • 查找类定义:JVM使用类加载器的父类加载器链来查找类定义,首先在JVM的启动类路径(Bootstrap Classpath)中查找,然后是扩展类路径(Extension Classpath),最后是用户类路径(User Classpath)。
    • 字节码文件的加载:一旦找到类定义,JVM会读取字节码文件,并使用类加载器将其转换为字节流,然后存储在方法区中。
  2. 连接(Linking):连接阶段包括验证、准备和解析三个子阶段。

    • 验证:这一阶段确保加载的类文件满足JVM的要求,例如类文件的结构正确,字节码指令遵循Java虚拟机的规范。
    • 准备:为类变量分配内存,并设置默认初始值(例如,对于数值类型,初始值为0;对于对象类型,初始值为null)。
    • 解析:将符号引用转换为直接引用,例如将方法句柄转换为方法指针。
  3. 初始化(Initialization):初始化阶段是执行类构造器的方法,包括静态变量赋值、静态代码块等。

类加载过程

类加载过程可以分为三个阶段:加载、连接和初始化。

  • 加载:类加载器通过类加载器的父类加载器链来加载类,并将类文件转换为字节流。
  • 连接:验证类信息,准备类变量,解析符号引用,确保类在运行时可以正确访问。
  • 初始化:执行类的初始化代码,包括静态变量赋值、静态代码块等。
双亲委派模型

双亲委派模型是JVM中类加载器的工作模式,子类加载器首先请求父类加载器进行类加载,只有当父类加载器无法完成加载时,才由子类加载器尝试加载。

自定义类加载器

自定义类加载器允许开发者自定义类加载过程,这在实现特定类加载需求时非常有用。例如,可以自定义类加载器来加载JAR包中的类,或者从网络加载类。

模块化系统(JPMS)

Java Platform Module System(JPMS)是Java 9引入的模块化系统,它将Java程序分解为模块,从而提高了系统的可维护性和性能。JPMS通过模块描述符来定义模块的依赖关系和模块的内容。

内存模型

JVM的内存模型由几个关键区域组成:

  • 堆(Heap):堆是JVM中所有对象的存储区域,由垃圾回收器管理。
  • 栈(Stack):栈是每个线程私有的内存区域,用于存储局部变量和方法调用。
  • 方法区(Method Area):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。
内存溢出场景分析

内存溢出可能发生在以下场景:

  • 堆内存不足:当创建大量对象导致堆内存不足时,会发生内存溢出。
  • 方法区内存不足:当类定义信息过多导致方法区内存不足时,会发生内存溢出。
  • 循环引用:当对象之间存在循环引用时,垃圾回收器无法回收这些对象,可能导致内存溢出。
垃圾回收

垃圾回收是JVM自动回收不再使用的对象的过程。垃圾回收包括以下几个步骤:

  • GC Roots可达性分析:从GC Roots开始,向上遍历,找到所有可达对象。
  • 分代收集理论:将对象分为新生代和老年代,分别采用不同的回收策略。
  • 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。
  • 垃圾回收算法:包括标记-清除、复制、整理算法等。
并发收集器

并发收集器可以在应用程序运行时进行垃圾回收,以减少停顿时间。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

JVM提供了多种停顿时间控制策略,如G1的Garbage-First策略,旨在减少应用程序的停顿时间。

性能调优

性能调优包括JVM参数配置(如Xms、Xmx等)和内存泄漏诊断。

Spring Boot知识体系详解

自动配置

Spring Boot的自动配置功能通过扫描类路径下的jar包,自动配置Spring应用程序。自动配置的工作原理如下:

  • 类路径扫描:Spring Boot会扫描类路径下的jar包,查找所有带有特定注解的类。
  • 条件匹配:根据匹配的注解和类路径中的其他类,Spring Boot会自动配置相应的Bean。
  • 配置文件生成:Spring Boot会根据自动配置的结果生成相应的配置文件。
@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解的工作原理如下:

  • 条件化配置:Spring Boot会根据条件化配置规则来启用或禁用自动配置。
  • 配置类扫描:Spring Boot会扫描所有带有@Configuration注解的类,并将它们转换为Bean。
  • 自动配置注册:Spring Boot会将配置类注册到Spring容器中,以便在需要时自动配置。
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。条件化配置的工作原理如下:

  • 条件表达式:Spring Boot支持多种条件表达式,例如@ConditionalOnClass、@ConditionalOnBean等。
  • 条件匹配:Spring Boot会根据条件表达式来匹配条件,并根据匹配结果来启用或禁用配置。
自定义Starter开发

自定义Starter可以帮助开发者将第三方库集成到Spring Boot项目中。自定义Starter的工作原理如下:

  • 创建Maven项目:开发者需要创建一个Maven项目,并添加Spring Boot的依赖。
  • 添加依赖:在Maven项目的pom.xml文件中,添加所需的依赖。
  • 编写自动配置类:开发者需要编写自动配置类,用于自动配置Starter。
起步依赖

起步依赖是Spring Boot项目的核心,它包含了项目运行所需的所有依赖。起步依赖的工作原理如下:

  • Maven依赖管理:起步依赖使用Maven依赖管理来管理项目依赖。
  • 版本控制:起步依赖使用BOM(Bill of Materials)文件来控制依赖的版本,确保依赖的一致性。
依赖管理机制(BOM文件)

BOM(Bill of Materials)文件用于管理项目依赖的版本,确保依赖的一致性。BOM文件的工作原理如下:

  • 定义依赖版本:BOM文件定义了项目中所有依赖的版本。
  • 版本一致性:BOM文件确保项目中所有依赖的版本都是一致的。
版本冲突解决

版本冲突是项目开发中常见的问题。Spring Boot通过依赖管理机制来解决版本冲突。依赖管理机制的工作原理如下:

  • 依赖解析:Spring Boot使用Maven的依赖解析器来解析项目依赖。
  • 依赖排除:Spring Boot可以使用依赖排除来解决版本冲突。
第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式,如Maven和Gradle。第三方库集成模式的工作原理如下:

  • Maven依赖:Spring Boot支持Maven依赖,可以使用 标签来添加依赖。
  • Gradle依赖:Spring Boot支持Gradle依赖,可以使用dependencies块来添加依赖。
Actuator

Spring Boot Actuator提供了一系列端点,用于监控和管理应用程序。Actuator的工作原理如下:

  • 端点注册:Spring Boot会将Actuator端点注册到Spring容器中。
  • 端点访问:可以使用HTTP请求来访问Actuator端点。
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。健康检查端点的工作原理如下:

  • 健康指标:Spring Boot支持多种健康指标,例如内存使用情况、数据库连接等。
  • 健康状态:Spring Boot根据健康指标来判断应用程序的健康状态。
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。度量指标收集的工作原理如下:

  • 度量指标:Spring Boot支持多种度量指标,例如HTTP请求计数、响应时间等。
  • 度量数据收集:Spring Boot会定期收集度量数据,并将其存储在日志文件或数据库中。
自定义Endpoint开发

自定义Endpoint允许开发者扩展Actuator的功能。自定义Endpoint的工作原理如下:

  • Endpoint实现:开发者需要实现Endpoint接口,并定义端点的URL和处理逻辑。
  • 注册Endpoint:开发者需要将自定义Endpoint注册到Spring容器中。
配置文件管理

Spring Boot支持多环境配置,如application-{profile}.yml。配置文件管理的工作原理如下:

  • 配置文件命名:Spring Boot根据配置文件的命名规则来加载不同的配置文件。
  • 配置文件优先级:Spring Boot会根据配置文件的优先级来加载配置。
配置加载优先级

配置加载优先级决定了配置文件的加载顺序。配置加载优先级的工作原理如下:

  • 配置文件路径:Spring Boot会根据配置文件路径的顺序来加载配置文件。
  • 配置文件覆盖:Spring Boot会根据配置文件路径的顺序来覆盖配置。
动态配置刷新

动态配置刷新允许开发者实时更新应用程序的配置。动态配置刷新的工作原理如下:

  • 配置变更检测:Spring Boot会监听配置文件的变更。
  • 配置更新:当配置文件发生变更时,Spring Boot会自动更新应用程序的配置。
监控与日志

Spring Boot提供了多种监控和日志解决方案,如Micrometer和Logback/SLF4J。监控与日志的工作原理如下:

  • 监控数据收集:Spring Boot会收集应用程序的监控数据。
  • 日志记录:Spring Boot会使用Logback或SLF4J来记录应用程序的日志。
分布式链路追踪

分布式链路追踪允许开发者追踪分布式系统的请求路径。分布式链路追踪的工作原理如下:

  • 链路追踪数据收集:分布式链路追踪会收集链路追踪数据。
  • 链路追踪数据存储:链路追踪数据会存储在数据库或日志文件中。
扩展机制

Spring Boot提供了多种扩展机制,如自定义AutoConfigurationBean和生命周期扩展点。扩展机制的工作原理如下:

  • 自定义Bean:开发者可以自定义Bean来扩展Spring Boot的功能。
  • 生命周期扩展点:Spring Boot提供了生命周期扩展点,开发者可以在这些扩展点处添加自定义逻辑。
响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程,如Spring WebFlux。响应式编程的工作原理如下:

  • 响应式编程模型:Spring Boot使用响应式编程模型来处理并发和异步操作。
  • 异步处理:Spring Boot支持异步处理,例如异步HTTP请求处理。

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