JVM与Spring Boot解析-CSDN博客

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JVM知识体系解析

类加载机制

Java虚拟机（JVM）中的类加载机制是Java语言动态性的一大体现。它负责在运行时将Java类编译成的字节码加载到JVM中，并使Java应用能够使用这些类。

类加载过程：类加载过程大致可以分为三个阶段：加载、连接和初始化。

加载：JVM通过类加载器将类的.class文件加载到内存中，生成一个Class对象。类加载器分为启动类加载器、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JVM自身所需的库，扩展类加载器负责加载Java的扩展库，应用程序类加载器负责加载应用程序中的类。

类加载器通过文件系统路径、网络等途径查找.class文件，将其读取到内存中，然后通过定义的类加载器逻辑创建Class对象。
连接：连接阶段分为验证、准备和解析三个子阶段。
- 验证：确保类文件的字节码符合JVM规范，包括字节码结构的正确性、符号引用的准确性等。验证过程包括类文件结构验证、数据类型验证、字节码验证、符号引用验证等。
- 准备：为类变量分配内存并设置默认初始值。类变量即静态变量，在类加载时分配内存，但是初始值是数据类型的默认值。
- 解析：将符号引用转换为直接引用。符号引用是指类、接口、字段和方法的符号名称和类型，而直接引用是指直接指向对象的引用。解析过程包括类解析、接口解析、字段解析和成员方法解析。
初始化：初始化阶段为类的静态变量赋值，执行静态代码块，初始化类中的静态对象。初始化过程发生在类加载之后，且在类使用之前。

双亲委派模型：在JVM中，类加载器之间存在双亲委派模型，即子类加载器首先委托父类加载器来加载类，只有当父类加载器无法加载时，子类加载器才会尝试加载。这种模型的目的是避免类加载过程中的冲突和重复加载。

自定义类加载器：用户可以通过继承ClassLoader类或实现ClassLoading接口来创建自定义类加载器，实现类的动态加载。自定义类加载器可以用于实现隔离加载类、实现热部署等功能。

模块化系统（JPMS）

为了更好地管理和组织类，JVM引入了模块化系统（Java Platform Module System，JPMS）。它允许将代码组织成模块，并提供了模块间隔离和版本控制的机制。

模块：模块是代码组织的基本单位，它包含了一组类和接口，以及它们的依赖关系。模块通过module-info.java文件来声明模块的名称、版本、主类、依赖关系等信息。
模块解析：模块解析是JPMS的核心功能之一，它负责根据模块的依赖关系确定模块的加载顺序。模块解析遵循以下原则：
- 确定性：模块解析必须是一致的，无论模块解析器是何时运行的。
- 透明性：模块解析器不应向用户暴露其内部实现。
- 高效性：模块解析器应尽量减少解析开销。

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：存储所有类的实例和数组的对象。堆是所有线程共享的，因此堆上的对象可以被任何线程访问。
- 栈：存储局部变量和方法调用栈。栈是线程私有的，每个线程都有自己的栈空间。
- 方法区：存储已经被加载的类信息、常量、静态变量等。方法区是所有线程共享的。
- PC寄存器：用于指示当前线程所执行的字节码的地址。PC寄存器是线程私有的。

内存溢出场景分析

内存溢出是指JVM的内存不足以处理当前应用的需求。常见的内存溢出场景包括：

堆内存溢出：堆内存中的对象数量过多或单个对象过大。
- 对象数量过多：在应用中，如果创建的对象过多，导致堆内存不足，就会发生堆内存溢出。
- 单个对象过大：如果单个对象过大，超出堆内存限制，也会导致堆内存溢出。
栈内存溢出：方法调用栈过深。
- 递归调用：在递归调用过程中，如果递归深度过大，导致栈内存不足，就会发生栈内存溢出。
- 方法调用栈过大：如果方法调用栈中包含大量的局部变量和方法调用，也会导致栈内存溢出。
方法区溢出：类定义过多或单个类定义过大。
- 类定义过多：如果类定义过多，导致方法区内存不足，就会发生方法区溢出。
- 单个类定义过大：如果单个类定义过大，超出方法区内存限制，也会导致方法区溢出。

垃圾回收

垃圾回收是JVM自动管理内存的重要机制。

GC Roots可达性分析：垃圾回收器通过GC Roots进行可达性分析，确定哪些对象是存活对象，哪些是垃圾对象。GC Roots是指那些引用链的终点，它们指向的对象是不可回收的。常见的GC Roots包括：

线程栈：线程栈中的局部变量引用的对象。
方法区：方法区中的静态变量和常量。
运行时常量池：运行时常量池中的引用对象。
JVM内部对象：JVM内部对象，如系统类加载器、系统类等。

分代收集理论：根据对象的存活周期，将堆内存分为Young区、Old区和永久代（或元空间）。不同代的垃圾回收算法不同。

Young区：主要存放新生对象，采用复制算法进行垃圾回收。
- 复制算法：将堆内存分为两块，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，然后清空当前使用的块。
Old区：存放经过多次Minor GC后仍然存活的对象，采用标记-清除或标记-整理算法进行垃圾回收。
- 标记-清除：先标记所有可达对象，再清除未被标记的对象。
- 标记-整理：类似于标记-清除，但最后会将存活对象整理到内存的一端，以便压缩内存空间。

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：强引用是默认的引用类型，它表示对象在内存中存在。当有强引用指向对象时，垃圾回收器不会回收该对象。
软引用：软引用表示非必需的对象，垃圾回收器在内存不足时可以回收软引用指向的对象。
弱引用：弱引用表示非必需的对象，垃圾回收器在内存不足时可以回收弱引用指向的对象，但是垃圾回收器无法保证回收弱引用指向的对象。
虚引用：虚引用表示非必需的对象，垃圾回收器可以随时回收虚引用指向的对象。

垃圾回收算法：

标记-清除：先标记所有可达对象，再清除未被标记的对象。
- 标记：遍历所有可达对象，将其标记为已访问。
- 清除：遍历所有未被标记的对象，将其回收。
复制算法：将堆内存分为两块，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，然后清空当前使用的块。
- 标记：遍历所有存活对象，将其复制到另一块内存。
- 清除：清空当前使用的内存块。
标记-整理：类似于标记-清除，但最后会将存活对象整理到内存的一端，以便压缩内存空间。
- 标记：先标记所有可达对象。
- 清除：清除未被标记的对象，并将存活对象整理到内存的一端。

并发收集器：

CMS（Concurrent Mark Sweep）：一种以降低停顿时间为目标的并发垃圾回收器。
- 初始标记：快速标记GC Roots可达的对象。
- 并发标记：在应用程序运行期间进行标记。
- 重新标记：标记上次标记过程中未能标记的对象。
- 并发清除：在应用程序运行期间进行清除。
G1（Garbage-First）：一种面向服务端应用的垃圾回收器，旨在提供可控的停顿时间。
- 混合收集：结合了标记-整理和复制算法。
- 并发标记：在应用程序运行期间进行标记。
- 并发整理：在应用程序运行期间进行整理。
ZGC（Z Garbage Collector）：一种低延迟的垃圾回收器，适用于多核处理器。
- 并发标记：在应用程序运行期间进行标记。
- 并发整理：在应用程序运行期间进行整理。

停顿时间控制策略

为了减少垃圾回收带来的停顿时间，JVM提供了多种停顿时间控制策略，如G1的并发标记和并发清理。

G1的并发标记：G1的并发标记阶段在应用程序运行期间进行，以减少停顿时间。
G1的并发清理：G1的并发清理阶段在应用程序运行期间进行，以减少停顿时间。

性能调优

JVM性能调优主要包括JVM参数配置和内存泄漏诊断。

JVM参数配置：通过配置-Xms、-Xmx等参数来控制堆内存大小。
- -Xms：设置JVM启动时的堆内存大小。
- -Xmx：设置JVM最大堆内存大小。
- -XX:+UseG1GC：启用G1垃圾回收器。
- -XX:+UseParallelGC：启用并行垃圾回收器。
内存泄漏诊断：使用工具如VisualVM、MAT等来诊断内存泄漏。
- VisualVM：用于监控Java应用程序的性能。
- MAT（Memory Analyzer Tool）：用于分析Java堆内存的内存泄漏。

JIT编译优化

JIT编译器是JVM在运行时对字节码进行即时编译的工具。它通过动态编译和优化字节码来提高应用性能。

JIT编译过程：JIT编译过程包括以下几个步骤：
- 解析：将字节码解析成中间表示形式。
- 优化：对中间表示形式进行优化。
- 代码生成：将优化后的中间表示形式生成机器码。
- 即时编译：将机器码加载到JVM中执行。
JIT编译优化技术：
- 内联：将一个方法调用替换为方法的代码。
- 循环优化：优化循环结构，提高循环执行效率。
- 分支预测：预测分支的执行方向，减少分支开销。
- 逃逸分析：分析对象的存活周期，减少对象的创建和销毁。
- 方法内联：将方法内联到调用方法中，减少方法调用的开销。
- 栈映射：将栈上的对象引用转换为堆上的对象引用，提高对象访问效率。

Spring Boot知识体系解析

自动配置

Spring Boot的自动配置是基于条件化的配置。当Spring Boot启动时，它会根据添加的依赖和配置来推断出合适的Bean配置。

@EnableAutoConfiguration原理：通过@EnableAutoConfiguration注解，Spring Boot会根据类路径下和添加的jar包中的META-INF/spring.factories文件中的自动配置类来推断出需要的Bean配置。

spring.factories文件中包含了各种自动配置类的类名，Spring Boot会根据类路径下和添加的jar包中存在的类来加载对应的自动配置类。

条件化配置（@Conditional）：Spring Boot允许使用@Conditional注解来指定条件，只有当条件满足时，相关的配置才会生效。

条件化配置可以用于实现多种功能，例如：

根据类路径下是否存在某个jar包来启用或禁用自动配置。
根据某个环境变量来启用或禁用自动配置。
根据某个配置属性值来启用或禁用自动配置。

自定义Starter开发：通过创建一个包含自动配置类的Starter项目，可以方便地集成到Spring Boot应用中。

自定义Starter项目需要包含以下内容：

Starter项目结构：Starter项目通常包含以下结构：
- src/main/java：存放自动配置类。
- src/main/resources：存放配置文件和资源文件。
- pom.xml：存放项目依赖和构建配置。
自动配置类：自动配置类用于实现自动配置功能，它需要实现@Configuration注解，并使用@EnableAutoConfiguration注解来指定自动配置的类。
配置文件：配置文件用于配置自动配置类中的参数。

起步依赖

Spring Boot使用起步依赖来简化依赖管理。起步依赖是Maven或Gradle项目中的一个配置，它包含了一组预定义的依赖，这些依赖通常是Spring Boot应用中常用的库。

依赖管理机制（BOM文件）：为了解决依赖版本冲突问题，Spring Boot使用BOM（Bill of Materials）文件来定义所有依赖的版本。

BOM文件包含了所有依赖的版本信息，Spring Boot会根据BOM文件中的版本信息来加载依赖，从而避免版本冲突。

版本冲突解决：通过使用BOM文件，Spring Boot可以自动解决依赖之间的版本冲突。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式，包括声明式集成和编程式集成。

声明式集成：通过添加起步依赖和配置文件来实现。
- 起步依赖：添加起步依赖后，Spring Boot会自动加载对应的依赖库。
- 配置文件：配置文件用于配置第三方库的参数。
编程式集成：通过编程方式手动配置和集成第三方库。
- 编程方式：通过编程方式创建第三方库的实例，并配置相关参数。

Actuator

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

健康检查端点：用于检查应用的健康状态。
- /health端点：提供应用的健康状态信息。
- /health/beans端点：提供应用中所有Bean的信息。
- /health/datasources端点：提供应用中所有数据源的信息。
- /health/endpoints端点：提供应用中所有端点的信息。
度量指标收集：用于收集应用的性能指标。
- /metrics端点：提供应用的性能指标信息。
- /metrics/prometheus端点：提供适用于Prometheus监控的性能指标信息。
自定义Endpoint开发：用户可以自定义Endpoint来扩展Actuator的功能。
- 自定义Endpoint类：自定义Endpoint类需要实现Endpoint接口。
- 注册自定义Endpoint：在Spring Boot应用中注册自定义Endpoint。

配置文件管理

Spring Boot使用配置文件来管理应用配置，支持多种配置文件格式，如.properties、.yml等。

多环境配置（application-{profile}.yml）：Spring Boot支持多环境配置，通过配置文件名中的{profile}来指定不同的配置。
- 配置文件名：配置文件名中的{profile}可以替换为不同的值，例如application-dev.yml、application-prod.yml等。
- 配置文件优先级：Spring Boot会根据配置文件名中的{profile}来决定配置的优先级。
配置加载优先级：Spring Boot会根据配置文件名中的{profile}来决定配置的优先级。
动态配置刷新：Spring Boot支持动态刷新配置，以便在运行时更新配置。
- /actuator/refresh端点：用于刷新配置。
- 配置刷新监听器：使用配置刷新监听器来监听配置的变更。

监控与日志

Spring Boot集成了Micrometer和Logback/SLF4J等库，用于监控和记录应用日志。

Micrometer集成：Micrometer是一个度量指标收集库，可以与多种监控系统集成。
- 度量指标：度量指标包括计数器、计时器、仪表板等。
- 监控系统集成：Micrometer支持与多种监控系统集成，例如Prometheus、Grafana等。
Logback/SLF4J配置：Spring Boot使用Logback作为默认的日志框架。
- Logback配置文件：Logback配置文件用于配置日志级别、日志格式、日志输出位置等。
- 日志格式：Logback支持多种日志格式，例如JSON格式、XML格式等。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin和Jaeger等。

Zipkin：Zipkin是一个开源的分布式追踪系统，用于跟踪分布式应用中的请求路径。
- Zipkin服务器：Zipkin服务器用于存储和查询链路追踪数据。
- Zipkin客户端：Zipkin客户端用于收集链路追踪数据。
Jaeger：Jaeger是一个开源的分布式追踪系统，用于跟踪分布式应用中的请求路径。
- Jaeger服务器：Jaeger服务器用于存储和查询链路追踪数据。
- Jaeger客户端：Jaeger客户端用于收集链路追踪数据。

扩展机制

Spring Boot提供了多种扩展机制，包括：

自定义AutoConfigurationBean：通过实现AutoConfigurationImportSelector接口来自定义AutoConfiguration的加载。
- AutoConfigurationImportSelector接口：AutoConfigurationImportSelector接口用于选择需要加载的自动配置类。
生命周期扩展点：Spring Boot提供了多种生命周期扩展点，如@PostConstruct和@PreDestroy注解。
- @PostConstruct注解：@PostConstruct注解用于标记需要在Bean创建后执行的方法。
- @PreDestroy注解：@PreDestroy注解用于标记需要在Bean销毁前执行的方法。
响应式编程支持：Spring Boot支持响应式编程，通过集成Reactor和Project Reactor等库来实现。
- Reactor：Reactor是一个开源的响应式编程库，用于构建异步、非阻塞的应用程序。
- Project Reactor：Project Reactor是Reactor的官方实现，提供了响应式编程的完整解决方案。

通过以上对JVM和Spring Boot知识体系的详细解析，我们可以看到这两个技术是如何相互关联和影响的。JVM为Java应用提供了运行时环境，而Spring Boot则基于JVM，提供了一套简化Java应用开发的框架

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