JVM与Spring Boot核心解析-CSDN博客

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📕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】

类加载机制

类加载机制是JVM实现多态和动态性特性的关键。在Java中，每个类在首次使用时都会被加载到JVM中，这个过程涉及到以下几个关键步骤：

加载（Loading）：类加载器通过类名查找并读取Class文件。在加载过程中，JVM会进行以下工作：
- 加载类的二进制数据到内存；
- 创建一个Class对象用于表示该类；
- 将类中的二进制数据转换成运行时数据结构。
验证（Verification）：这一步骤确保加载的类信息符合Java语言规范，防止恶意代码的执行。验证过程包括：
- 类文件结构验证：检查类的结构是否符合规范；
- 符号引用验证：验证类文件中的符号引用是否正确。
准备（Preparation）：为类变量分配内存，并设置初始值（除final和static修饰的变量外）。
解析（Resolution）：将符号引用转换为直接引用，这一步涉及到解析类、接口、字段和方法的符号引用。
初始化（Initialization）：执行类构造器 ()，为静态变量赋值，执行静态代码块等。

类加载过程

在类加载过程中，双亲委派模型发挥了重要作用。按照这个模型，子类加载器首先委派给父类加载器进行类加载，只有当父类加载器无法完成类加载时，子类加载器才会尝试自己去加载。这种模型的优点是，可以保证类库的稳定性和安全性。

双亲委派模型

双亲委派模型的实现依赖于JVM的类加载器层次结构，主要包括：

启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：负责加载JVM核心库和扩展库，如rt.jar等。
扩展类加载器（Extension ClassLoader）：负责加载Java扩展库。
应用程序类加载器（Application ClassLoader）：负责加载应用程序的类库。

自定义类加载器

自定义类加载器可以通过继承ClassLoader类或实现ClassLoader接口创建。自定义类加载器允许开发者自定义类文件的加载方式，如从网络加载、从数据库加载等。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）通过模块化的方式将JVM和Java应用程序划分为多个独立的模块，每个模块都包含了其运行时需要的类和资源。模块化系统的优势在于提高了系统的安全性、可维护性和性能。

内存模型

JVM的内存模型是JVM运行时的基础，它包括以下运行时数据区：

堆（Heap）：所有类实例和数组的存储区域，由垃圾回收器管理。
栈（Stack）：每个线程拥有的独立内存区域，存储局部变量和方法的调用栈。
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。
程序计数器（PC寄存器）：每个线程的当前指令地址。
本地方法栈（Native Method Stacks）：存储JVM中执行的原生方法调用的信息。

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：由于创建的对象过多或对象生命周期过长，导致堆内存不足以存储所有对象。
栈内存溢出：由于递归调用或方法调用深度过深，导致栈空间不足。
方法区溢出：由于类定义过多或类定义过大，导致方法区空间不足。

垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动管理内存的重要机制。GC的基本原理是回收不可达对象占用的内存。GC的主要算法包括：

标记-清除（Mark-Sweep）：首先标记所有可达对象，然后清除未标记的对象。
标记-整理（Mark-Compact）：类似于标记-清除，但在清除未标记对象后进行内存整理，避免内存碎片。
复制算法（Copying）：将对象分为新生代和老年代，新生代使用复制算法，老年代使用标记-清除或标记-整理算法。
分代收集算法：根据对象的生命周期将对象分为新生代和老年代，针对不同代采用不同的回收策略。

并发收集器

并发收集器允许垃圾回收与应用程序线程并发执行，从而减少停顿时间。常见的并发收集器包括：

CMS（Concurrent Mark Sweep）：以最短停顿时间为目标的收集器，适用于对响应时间要求较高的应用程序。
G1（Garbage-First）：将堆内存划分为多个区域，优先回收垃圾较多的区域，适用于大规模数据量的应用程序。
ZGC（Z Garbage Collector）：低延迟的垃圾回收器，适用于对延迟要求极高的应用程序。

停顿时间控制策略

为了控制垃圾回收的停顿时间，JVM提供了以下策略：

自适应调节策略：根据程序运行情况动态调整垃圾回收策略。
预测性停顿时间控制：根据历史数据预测垃圾回收的停顿时间。

性能调优

JVM性能调优主要包括以下几个方面：

JVM参数配置：通过调整JVM参数来优化内存使用、垃圾回收策略等。
内存泄漏诊断：使用工具检测并修复内存泄漏。
JIT编译优化：JVM的即时编译器（JIT）对字节码进行优化，提高程序执行效率。

【二、Spring Boot知识体系】

自动配置

Spring Boot的自动配置基于条件化配置原理，通过@EnableAutoConfiguration注解和@Conditional注解实现。自动配置的流程如下：

扫描启动类：Spring Boot在启动时会扫描启动类所在的包以及其子包，查找所有使用了@SpringBootApplication注解的类。
查找条件：Spring Boot会查找所有匹配条件注解的类，如@ConditionalOnClass、@ConditionalOnBean等。
自动配置：对于匹配成功的类，Spring Boot会自动配置相关的Bean。

自定义Starter开发

自定义Starter可以方便地集成第三方库。开发自定义Starter的主要步骤如下：

创建Maven项目，添加依赖关系。
添加自动配置类，用于实现自动配置功能。
编写Starter的文档。

起步依赖

Spring Boot的起步依赖（Starter POMs）简化了依赖管理。起步依赖中包含了项目所需的所有依赖项，包括Spring框架、数据库连接池、Web框架等。

依赖管理机制

Spring Boot使用Maven或Gradle进行依赖管理。BOM（Bill of Materials）文件用于管理依赖项的版本，确保项目在不同环境中的依赖版本一致性。

版本冲突解决

Spring Boot通过以下方式解决依赖项版本冲突：

依赖传递规则：根据依赖关系，自动选择合适的依赖版本。
兼容性版本：提供兼容性版本，解决不同版本的依赖之间的冲突。

第三方库集成模式

Spring Boot提供了多种集成第三方库的模式，如：

自动配置：Spring Boot会自动配置第三方库，简化集成过程。
配置属性：通过配置文件管理第三方库的配置信息。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了健康检查、度量指标收集和自定义Endpoint等功能，帮助开发者监控和诊断Spring Boot应用。

健康检查端点

健康检查端点用于检查Spring Boot应用的运行状态，如/health、/health/prometheus等。通过健康检查端点，开发者可以了解应用的运行状态，如数据库连接是否正常、服务是否可用等。

度量指标收集

Spring Boot Actuator可以收集应用的各种度量指标，如内存使用、线程数等。收集到的度量指标可以用于监控、日志记录和分析。

自定义Endpoint开发

开发者可以自定义Endpoint来提供特定的功能，如自定义监控数据、自定义日志记录等。

配置文件管理

Spring Boot使用配置文件（如application.yml）来管理应用配置。多环境配置（如application-{profile}.yml）允许针对不同环境进行配置。

配置加载优先级

Spring Boot按照以下顺序加载配置文件：

application.yml
application-{profile}.yml
application.yml（默认）
bootstrap.yml

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。

监控与日志

Spring Boot提供了多种监控和日志配置选项，如Micrometer、Logback/SLF4J等。通过这些监控和日志配置，开发者可以更好地了解应用的运行状态。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin、Jaeger等。通过分布式链路追踪，开发者可以追踪跨服务调用的过程，了解请求的执行路径。

扩展机制

Spring Boot提供了多种扩展机制，如自定义AutoConfigurationBean、生命周期扩展点等。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，如Spring WebFlux等。响应式编程可以提高应用程序的性能和可扩展性。

通过以上对JVM和Spring Boot知识体系的详细描述，我们可以了解到这两个技术在Java生态系统中的重要性。在实际开发中，掌握这些知识点有助于我们更好地构建高性能、可维护的Java应用。

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