JVM与Spring Boot详解

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📘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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