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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一、JVM知识体系

在深入探讨Java虚拟机（JVM）的知识体系之前，首先需要理解JVM作为Java平台的核心组件，其工作原理和架构设计。JVM负责将Java代码编译为字节码，并在运行时管理内存、执行字节码等操作，为Java程序的运行提供必要的平台。

类加载机制

类加载机制是JVM的核心概念之一，负责将Java类文件加载到JVM中。这一过程涉及到类加载器、类加载器层次结构以及类加载器的初始化和加载策略。

类加载过程

1. 加载（Loading）：加载阶段负责将类文件字节码读入JVM，并为类在方法区中分配内存，并建立类的数据结构。在这一阶段，JVM会解析类文件中的信息，如类名、父类、接口、字段、方法等。

2. 连接（Linking）：连接阶段包括验证、准备和解析三个步骤。验证确保类文件字节码符合JVM规范；准备为类变量分配内存并设置默认值；解析将符号引用转换为直接引用。

3. 初始化（Initialization）：初始化阶段执行类构造器 ()，初始化类变量和静态变量。这一阶段会执行静态代码块和静态初始化器。

双亲委派模型

双亲委派模型是类加载机制的一部分，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。当一个类加载器在尝试加载某个类时，首先委托给父类加载器去加载，只有当父类加载器无法加载该类时，才自己尝试加载。这种模型确保了类型安全，并防止了类重复加载。

自定义类加载器

在特定场景下，如实现模块化系统或加载特定类型的类文件时，可以自定义类加载器。自定义类加载器可以重写findClass方法来加载类文件，也可以重写loadClass方法来控制类的加载过程。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的模块化系统，它允许开发者将应用程序分解成多个模块，从而提高安全性、可移植性和性能。JPMS通过模块描述符（module-info.java）来定义模块的依赖关系，并通过模块路径来组织模块。

内存模型

JVM的内存模型由几个关键部分组成，这些部分共同构成了JVM的运行时数据区。

运行时数据区

1. 堆（Heap）：存储所有类实例和数组的内存区域，是动态分配的。堆空间由垃圾回收器管理，以回收不再使用的对象所占用的内存。

2. 栈（Stack）：存储局部变量和方法调用栈，是线程私有的。栈空间在程序运行期间动态增长，当栈空间不足时，会导致StackOverflowError。

3. 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。方法区是全局共享的，由垃圾回收器管理。

4. PC寄存器：用于存储指向下一条要执行的指令的指针。每个线程都有自己的PC寄存器，用于记录当前线程的执行状态。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在堆空间不足时，常见的场景包括：

• 创建了太多的对象。
• 使用了大量的短生命周期对象。
• 内存泄漏。

直接内存管理

直接内存管理是指JVM通过Native方法直接分配非堆内存，这部分内存不受JVM垃圾回收器管理。直接内存管理可以提高性能，但需要开发者手动管理内存，以避免内存泄漏。

垃圾回收

垃圾回收是JVM自动内存管理的一部分，其目的是回收不再使用的对象所占用的内存。垃圾回收器通过GC Roots可达性分析来确定哪些对象是可达的，从而回收不可达的对象。

GC Roots可达性分析

垃圾回收器通过GC Roots（如栈帧中的变量引用、静态变量引用等）来标记所有可达对象，不可达的对象被视为垃圾。

分代收集理论

JVM将堆内存分为新生代（Young）和老年代（Old），以便更高效地进行垃圾回收。新生代主要存放新创建的对象，老年代存放长时间存活的对象。

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，它们分别决定了对象被垃圾回收器的处理方式。

垃圾回收算法

垃圾回收算法包括标记-清除、复制和整理算法等。每种算法都有其优缺点，JVM会根据不同的场景选择合适的算法。

并发收集器

并发收集器如CMS（Concurrent Mark Sweep）和G1（Garbage-First）可以在应用程序运行时进行垃圾回收，减少停顿时间。

停顿时间控制策略

停顿时间控制策略旨在减少垃圾回收时的停顿时间，提高应用程序的性能。常见的策略包括降低垃圾回收频率、减少垃圾回收时间等。

性能调优

JVM性能调优涉及调整JVM参数（如-Xms、-Xmx等），以优化内存使用和垃圾回收效率。性能调优需要根据具体的应用场景和需求进行。

内存泄漏诊断

内存泄漏是指程序中已分配的内存无法被垃圾回收器回收。诊断内存泄漏通常需要使用专门的工具，如VisualVM、MAT（Memory Analyzer Tool）等。

JIT编译优化

JIT编译器是JVM的一部分，它负责将字节码编译成本地机器代码，以提高执行效率。JIT编译器会根据程序的运行情况动态优化代码，以提高性能。

二、Spring Boot知识体系

Spring Boot是一个开源框架，它简化了基于Spring的应用程序的创建和部署。Spring Boot通过自动配置、起步依赖、配置文件管理等特性，降低了Java应用程序的开发门槛。

自动配置

Spring Boot的自动配置是其核心特性之一，它根据添加的依赖和类路径设置自动配置Spring应用程序。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解通过类路径下jar包中的META-INF/spring.factories文件来找到所有可用的自动配置类，并根据条件自动配置。这些自动配置类遵循“约定大于配置”的原则，即根据默认的配置规则自动配置应用程序。

条件化配置（@Conditional）

条件化配置允许自动配置根据特定的条件进行启用或禁用。例如，可以根据类路径下是否存在某个库来启用或禁用特定的自动配置。

自定义Starter开发

开发自定义Starter可以简化第三方库的集成，并为开发者提供统一的依赖管理。自定义Starter需要创建一个Maven项目，并添加必要的依赖和自动配置类。

起步依赖

起步依赖（Starter Dependencies）是一组预配置的依赖项，它们简化了Spring Boot项目的构建。起步依赖通常会包含Spring框架的核心模块、数据库连接池、Web框架等。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM（Bill of Materials）文件用于定义一组依赖项的版本，以确保构建的兼容性。BOM文件可以帮助开发者避免版本冲突，并确保应用程序在不同环境中的一致性。

版本冲突解决

解决版本冲突通常涉及选择兼容的依赖项版本或使用依赖管理工具，如Apache Maven或Gradle。

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。声明式集成通常使用注解和配置文件来简化集成过程，编程式集成则需要手动编写代码来集成第三方库。

Actuator

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

健康检查端点

健康检查端点用于检查应用程序的健康状态。开发者可以通过访问/actuator/health端点来获取应用程序的健康信息。

度量指标收集

度量指标收集用于收集应用程序的性能数据。开发者可以通过访问/actuator/metrics端点来获取应用程序的度量指标。

自定义Endpoint开发

自定义Endpoint允许开发者添加自定义的监控和配置端点。自定义Endpoint需要实现Endpoint接口，并定义端点的访问路径和响应内容。

配置文件管理

Spring Boot使用配置文件来管理应用程序的配置，支持多环境配置。

多环境配置（application-{profile}.yml）

多环境配置允许根据不同的环境（如开发、测试、生产）使用不同的配置文件。开发者可以通过设置环境变量或配置文件来切换环境。

配置加载优先级

配置文件的加载优先级决定了配置值的覆盖规则。Spring Boot会按照以下顺序加载配置文件：

1. application.yml或application.properties
2. application-{profile}.yml或application-{profile}.properties
3. bootstrap.yml或bootstrap.properties

动态配置刷新

动态配置刷新允许实时更新配置而无需重启应用程序。开发者可以通过访问/actuator/refresh端点来刷新配置。

监控与日志

Spring Boot提供了多种监控和日志配置选项。

Micrometer集成

Micrometer是Spring Boot的监控指标库，支持多种监控系统。开发者可以使用Micrometer来收集应用程序的性能数据，并将其发送到监控系统。

Logback/SLF4J配置

Spring Boot支持Logback和SLF4J作为日志框架，允许自定义日志配置。开发者可以使用Logback或SLF4J来记录应用程序的日志信息。

分布式链路追踪扩展机制

Spring Boot支持分布式链路追踪，允许跟踪跨服务调用的流程。开发者可以使用Zipkin、Jaeger等工具来实现分布式链路追踪。

自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点

自定义AutoConfigurationBean的生命周期扩展点允许开发者自定义Bean的创建和销毁过程。开发者可以通过实现AutoConfigureAfter、AutoConfigureBefore等注解来控制Bean的生命周期。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，允许使用Reactor、Project Reactor等库来构建响应式应用程序。开发者可以使用响应式编程来处理异步事件和流式数据。

通过以上对JVM和Spring Boot知识体系的详细描述，可以看出这两个技术领域的紧密联系。JVM作为Java平台的基础，为Spring Boot提供了运行时环境和内存管理，而Spring Boot则利用JVM的特性来简化Java应用程序的开发和部署。通过深入理解这些知识点，可以更好地开发高性能、可维护的Java应用程序。

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