JVM与Spring Boot核心知识-CSDN博客

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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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一、JVM知识体系

JVM（Java虚拟机）是Java语言运行时环境的核心，它负责将Java字节码转换为机器码，从而在底层操作系统上执行。以下是JVM知识体系中的关键知识点：

类加载机制

类加载机制是JVM的核心功能之一，它负责将Java类文件加载到JVM中。类加载机制包括以下几个步骤：

加载（Loading）：查找并加载类的.class文件到JVM中，生成一个Class对象。这个过程涉及类加载器的选择和类文件的读取，其中类加载器包括启动类加载器、扩展类加载器和应用程序类加载器。启动类加载器负责加载JDK提供的核心类库，扩展类加载器负责加载JDK的扩展库，应用程序类加载器负责加载用户自定义的类。
连接（Linking）：验证类信息，准备类变量，解析符号引用。验证过程包括：文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。准备阶段为类变量分配内存并设置默认初始值，而解析阶段则是将符号引用转换为直接引用。
初始化（Initialization）：执行类的初始化代码，包括静态变量赋值和静态代码块。这个过程是在类加载之后、类使用之前进行的。

类加载过程

类加载过程可以细分为以下几个阶段：

加载：通过类加载器将类的.class文件读入内存，并为之生成一个Class对象。这个过程包括类文件的读取、解析、验证和准备。
连接：
- 验证：确保加载的类信息符合JVM规范，防止恶意代码对JVM的破坏。
- 准备：为类变量分配内存，并设置默认初始值。
- 解析：将符号引用转换为直接引用，包括类、接口、字段和方法的符号引用。
初始化：执行类的初始化代码，包括静态变量赋值和静态代码块。这个过程是在类加载之后、类使用之前进行的。

双亲委派模型

双亲委派模型是JVM中类加载器的一种工作模式，它要求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。当一个类加载器请求加载一个类时，它会首先请求其父类加载器进行加载，只有当父类加载器无法完成加载时，才自己尝试加载。这种模型可以防止类的重复加载，同时也有利于类型安全。

自定义类加载器

自定义类加载器允许开发者控制类的加载过程，实现特定的加载逻辑，如实现模块化系统。自定义类加载器需要继承java.lang.ClassLoader类，并重写其中的loadClass方法。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一种模块化系统，它允许将Java程序分解为多个模块，以提供更好的隔离性和可维护性。模块化系统通过模块描述符（Module Descriptor）来定义模块的依赖关系和模块本身。

内存模型

JVM的内存模型包括以下几个运行时数据区：

堆（Heap）：存储所有类实例和数组的内存区域。堆内存是动态分配的，垃圾回收主要针对堆内存。
栈（Stack）：存储线程的局部变量和部分运行时常量池。栈内存是线程私有的，线程之间不会共享栈内存。
方法区（Method Area）：存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据。方法区是所有线程共享的。
PC寄存器：用于存储当前线程所执行的指令的地址。PC寄存器是线程私有的。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在以下场景：

堆内存溢出：创建对象过多，导致堆内存不足。可以通过调整JVM参数（如-Xms和-Xmx）来限制堆内存大小。
栈内存溢出：方法调用太深或递归调用太深，导致栈内存不足。可以通过调整JVM参数（如-Xss）来限制栈内存大小。
方法区溢出：加载的类太多，导致方法区内存不足。可以通过调整JVM参数（如-XX:MaxPermSize）来限制方法区大小。

垃圾回收

垃圾回收是JVM自动管理内存的一种机制，它通过回收不再使用的对象来释放内存。垃圾回收过程包括以下几个步骤：

GC Roots可达性分析：从GC Roots开始，向上遍历可达的对象，这些对象被视为存活对象。
分代收集理论：将堆内存划分为多个区域，如Young区、Old区，针对不同区域采用不同的回收策略。
引用类型：包括强引用、软引用、弱引用和虚引用，不同类型的引用对垃圾回收有不同的影响。

垃圾回收算法

常见的垃圾回收算法包括：

标记-清除（Mark-Sweep）：标记所有存活对象，然后清除未被标记的对象。
复制（Copying）：将堆内存分为两个相等的区域，每次只使用一个区域，当该区域满时，将存活对象复制到另一个区域。
整理（Mark-Compact）：标记-清除算法的改进版，在清除后整理内存，减少内存碎片。

并发收集器

并发收集器允许垃圾回收与应用程序的运行同时进行，常见的并发收集器包括：

CMS（Concurrent Mark Sweep）：以最短停顿时间为目标。
G1（Garbage-First）：将堆内存划分为多个区域，优先回收垃圾最多的区域。
ZGC（Z Garbage Collector）：以低延迟为目标的垃圾回收器。

停顿时间控制策略

JVM提供了多种策略来控制垃圾回收的停顿时间，如：

自适应大小调整：根据运行时数据调整堆内存大小。
并发垃圾回收：与应用程序并发执行垃圾回收。

性能调优

JVM性能调优包括：

JVM参数配置：通过配置Xms、Xmx等参数来调整堆内存大小。
内存泄漏诊断：使用工具诊断内存泄漏问题。
JIT编译优化：JVM在运行时对字节码进行优化，提高程序性能。

二、Spring Boot知识体系

Spring Boot是Spring框架的一个模块，它简化了Spring应用的创建和配置过程。

自动配置

Spring Boot的自动配置功能可以自动配置Spring应用，无需手动编写大量配置代码。自动配置的原理是Spring Boot通过扫描类路径下的jar包，根据类路径下的配置文件和类信息自动配置Spring应用。

@EnableAutoConfiguration原理：Spring Boot通过扫描类路径下的jar包，根据类路径下的配置文件和类信息自动配置Spring应用。当Spring Boot发现某个类具有@Configuration注解时，它会将该类视为一个配置类，并从中读取配置信息。
条件化配置（@Conditional）：根据特定的条件动态启用或禁用配置。例如，当系统运行在开发环境时，启用开发环境的配置；当系统运行在生产环境时，启用生产环境的配置。

自定义Starter开发

自定义Starter可以帮助开发者快速集成第三方库。自定义Starter需要定义一个起步依赖，包含所有必要的依赖项，并使用BOM文件来管理依赖项的版本。

起步依赖：定义一个起步依赖，包含所有必要的依赖项。
依赖管理机制：使用BOM文件来管理依赖项的版本，解决版本冲突问题。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式，如：

声明式集成：通过配置文件或注解声明集成第三方库。
编程式集成：通过编写代码集成第三方库。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了一系列端点，用于监控和管理Spring应用。

健康检查端点：用于检查应用的健康状态。
度量指标收集：收集应用的性能指标。
自定义Endpoint开发：允许开发者自定义端点来提供额外的监控信息。

配置文件管理

Spring Boot支持多种配置文件格式，如：

application.yml：YAML格式的配置文件。
application.properties：属性格式的配置文件。

多环境配置

Spring Boot支持多环境配置，允许为不同环境提供不同的配置。

多环境配置文件：如application-dev.yml、application-prod.yml等。
配置加载优先级：根据配置文件的位置和名称确定配置的优先级。
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提供了多种监控和日志解决方案。

Micrometer集成：支持多种监控工具，如Prometheus、Grafana等。
Logback/SLF4J配置：支持自定义日志配置。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin、Jaeger等。

扩展机制

Spring Boot提供了多种扩展机制，如：

自定义AutoConfigurationBean：允许开发者自定义自动配置的Bean。
生命周期扩展点：允许开发者自定义Bean的生命周期事件。
响应式编程支持：支持响应式编程模型，如Spring WebFlux。

通过以上对JVM和Spring Boot知识体系的详细描述，我们可以看到这两个技术体系在Java应用开发中的重要性。JVM负责Java程序的运行时环境，而Spring Boot则简化了Spring应用的创建和配置过程。在实际开发中，理解这两个技术体系的知识点，有助于我们更好地开发、优化和监控Java应用。

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