JVM与Spring Boot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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JVM知识体系详解

类加载机制

Java虚拟机（JVM）的类加载机制是Java运行时环境的核心组成部分，它负责将Java源代码编译生成的.class文件加载到JVM中，并创建相应的Java类对象。类加载机制主要包括以下几个关键点：

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：将类的.class文件字节码加载到JVM中，为之创建一个Class对象。加载过程涉及类加载器的查找和字节码的读取，通常通过文件系统或网络等途径获取字节码。
- 连接：包括验证、准备和解析三个步骤，确保类在运行时能正确使用。验证过程包括对字节码的格式、语义和结构进行校验，确保没有安全问题；准备过程是为类变量分配内存，并设置默认初始值；解析过程是将符号引用转换为直接引用，例如将类名、接口名等符号引用转换为指向方法的指针。
- 初始化：为类变量赋予初始值，执行静态代码块。初始化过程是在类加载完成后，在类对象被使用之前执行的。
双亲委派模型：在Java中，类加载器采用双亲委派模型，即当一个类需要被加载时，首先由启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）尝试加载，如果找不到，再由扩展类加载器（Extension ClassLoader）尝试，最后由应用程序类加载器（Application ClassLoader）加载。这种模型确保了类的加载顺序和安全性，防止不同版本的类库之间发生冲突。
自定义类加载器：Java允许用户自定义类加载器，以实现特定的类加载逻辑，如实现模块化系统。自定义类加载器可以重写findClass方法来加载类，或者通过继承URLClassLoader来扩展功能。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一种模块化系统，它允许开发者将应用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-info.java）来定义模块的依赖关系和接口，从而实现模块之间的隔离和模块的版本控制。

内存模型

JVM的内存模型包括以下几个运行时数据区：

堆：存储所有类实例和数组的对象。堆内存是动态分配的，是JVM管理的最大内存区域，也是垃圾回收的主要区域。
栈：存储局部变量和方法调用栈。每个线程都有自己的栈空间，栈内存是线程私有的，生命周期与线程相同。
方法区：存储类信息、常量、静态变量等。方法区是所有线程共享的内存区域，是类加载的主要场所。
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，每个线程都有自己的PC寄存器。

内存溢出场景分析

内存溢出是指JVM的内存使用超过其最大限制，导致程序无法正常运行。常见的内存溢出场景包括：

堆内存溢出：大量对象创建导致堆内存不足。可以通过调整JVM堆内存大小、优化对象创建和引用关系等方式来避免堆内存溢出。
栈内存溢出：递归调用深度过大或方法调用栈过深。可以通过优化算法、减少递归调用深度或使用栈大小调整参数等方式来避免栈内存溢出。
方法区溢出：类定义过多或类定义过大。可以通过减少类定义数量、优化类定义或使用外部存储等方式来避免方法区溢出。

垃圾回收

垃圾回收（GC）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。垃圾回收的主要步骤包括：

GC Roots可达性分析：GC通过GC Roots来追踪所有可达对象，不可达对象将被回收。GC Roots通常包括栈帧中的变量、静态变量、常量池等。
分代收集理论：JVM将对象分为新生代（Young）和老年代（Old），针对不同代采取不同的回收策略。新生代采用复制算法，老年代采用标记-清除或标记-整理算法。
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，它们在垃圾回收中的行为不同。强引用是最常见的引用类型，软引用和弱引用适用于缓存或临时对象，虚引用用于实现对象被回收时的通知。
垃圾回收算法：常见的垃圾回收算法包括标记-清除、复制和整理算法。标记-清除算法通过标记和清除不再使用的对象来回收内存；复制算法通过将存活对象复制到另一半空间来回收内存；整理算法通过移动存活对象来回收内存。
并发收集器：如CMS（Concurrent Mark Sweep）和G1（Garbage-First）等，它们在垃圾回收过程中尽量减少对应用程序的干扰。CMS收集器适用于对响应时间要求较高的场景，G1收集器适用于大内存场景。
停顿时间控制策略：如G1的停顿时间目标（STW）等，通过调整垃圾回收策略来控制停顿时间，以满足应用程序的性能需求。

性能调优

JVM性能调优主要包括以下几个方面：

JVM参数配置：通过配置Xms、Xmx等参数来调整堆内存大小，以及设置其他JVM参数来优化性能。
内存泄漏诊断：通过工具诊断内存泄漏问题，例如使用MAT（Memory Analyzer Tool）来分析堆转储文件。
JIT编译优化：JIT编译器对热点代码进行优化，提高程序执行效率。可以通过配置JVM参数来启用或调整JIT编译器。

Spring Boot知识体系详解

自动配置

Spring Boot的自动配置功能可以自动配置Spring应用程序，减少手动配置的工作量。自动配置的实现原理如下：

@EnableAutoConfiguration原理：Spring Boot通过分析类路径下的jar包和配置文件，自动配置Spring应用程序。当Spring Boot启动时，它会扫描类路径下的jar包，查找带有@SpringBootApplication注解的类，并从中获取自动配置信息。然后，Spring Boot会根据这些信息自动配置Spring应用程序。
条件化配置（@Conditional）：根据特定条件动态启用或禁用配置。例如，@ConditionalOnClass注解可以根据类路径下是否存在某个类来启用或禁用配置。

自定义Starter开发

Spring Boot允许开发者自定义Starter，以提供更便捷的依赖管理。自定义Starter的开发步骤如下：

起步依赖：定义起步依赖，将所需的库自动包含在项目中。起步依赖通常是一个Maven项目，其中包含spring-boot-starter依赖。
依赖管理机制：使用BOM（Bill of Materials）文件统一管理依赖版本，解决版本冲突问题。BOM文件是一个包含所有依赖及其版本的清单文件。

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、配置文件集成等。以下是一些常见的第三方库集成模式：

声明式集成：通过在Spring Boot应用程序中添加依赖，自动配置第三方库。例如，添加spring-boot-starter-web依赖可以自动配置Spring MVC。
配置文件集成：通过配置文件来配置第三方库。例如，在application.properties或application.yml文件中配置数据库连接信息。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了一系列端点，用于监控和管理应用程序。以下是一些常见的Actuator端点：

健康检查端点：用于检查应用程序的健康状态。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：收集应用程序的性能指标。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：根据需求开发自定义端点。自定义端点可以提供额外的监控和管理功能。

配置文件管理

Spring Boot支持多环境配置，如开发环境、测试环境和生产环境。以下是一些配置文件管理的要点：

多环境配置（application-{profile}.yml）：根据不同的环境配置不同的参数。例如，application-dev.yml用于开发环境，application-test.yml用于测试环境。
配置加载优先级：优先加载特定的配置文件。例如，如果存在application.yml和application-dev.yml，则优先加载application-dev.yml。
动态配置刷新：支持动态刷新配置文件。例如，可以使用Spring Cloud Config或Spring Cloud Bus来实现动态配置刷新。

监控与日志

Spring Boot提供了多种监控和日志解决方案。以下是一些常见的监控和日志解决方案：

Micrometer集成：集成Micrometer，支持多种监控工具。例如，可以使用Prometheus、Grafana等工具来监控应用程序。
Logback/SLF4J配置：配置日志框架，如Logback和SLF4J。可以通过配置文件或代码来设置日志级别、日志格式等。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin和Jaeger。以下是一些分布式链路追踪的要点：

自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点：根据需求扩展AutoConfigurationBean的生命周期。例如，可以扩展AutoConfigurationImportSelector来添加自定义的自动配置。
响应式编程支持：支持响应式编程，如Spring WebFlux。响应式编程可以提供更好的性能和可扩展性。

通过以上对JVM和Spring Boot知识体系的详细解析，我们可以更好地理解Java应用程序的运行机制和Spring Boot框架的强大功能。在实际开发过程中，结合这些知识点，我们可以构建高性能、可维护的Java应用程序。

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