JVM与Spring Boot核心知识

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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】

在深入探讨Java虚拟机（JVM）的知识体系之前，我们先要明白，JVM是Java程序的运行环境，它扮演着至关重要的角色。JVM不仅负责将Java代码编译成字节码，还在运行时管理内存、垃圾回收等资源，确保Java应用稳定、高效地运行。

类加载机制

类加载是JVM的核心机制之一，其负责将类文件（.class文件）转换成JVM可以直接使用的类型（Class对象）。这一过程涉及三个关键阶段：加载、连接和初始化。

类加载过程

1. 加载：加载阶段将类信息载入内存，为类的使用做准备。在此过程中，JVM会确定类的全名以及它的二进制数据，并将这些信息存储在方法区内。

2. 连接：连接过程分为三个步骤，分别是验证、准备和解析。

   • 验证：确保加载的类信息符合JVM规范，避免诸如类定义矛盾、安全等问题。
   • 准备：为类变量分配内存并设置默认初始值，这些类变量通常为基本数据类型或null。
   • 解析：将符号引用转换为直接引用，这一步骤使得符号引用指向类或接口在运行时数据区的方法或字段。

3. 初始化：初始化阶段是执行类构造器（ ()方法）的过程，该方法对类的静态变量初始化、静态代码块执行以及父类的初始化过程负责。

双亲委派模型

双亲委派模型是类加载机制的核心原则，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。当需要加载一个类时，JVM会首先请求父类加载器进行加载，只有父类加载器无法完成时，才由自己来加载。

这种设计模式有助于确保类型安全，避免重复加载同一个类型，以及防止核心API被随意替换或篡改。

自定义类加载器

自定义类加载器允许我们控制类的加载过程，例如实现自己的模块化系统。自定义类加载器可以通过继承ClassLoader类并重写findClass()方法实现，以便在加载类时进行额外的逻辑处理。

模块化系统（JPMS）

Java 9引入了模块化系统（JPMS），它通过模块定义和模块间依赖关系来组织代码，提高了代码的封装性和可维护性。模块化系统能够限制类访问范围，降低类加载器的层级，从而优化启动时间和性能。

内存模型

JVM的内存模型包括运行时数据区、执行引擎和本地方法栈等部分。

运行时数据区

运行时数据区主要包括以下部分：

• 堆：存储所有类实例和数组的内存区域，是垃圾回收的主要区域。
• 栈：存储局部变量和方法调用栈，线程私有，生命周期与线程相同。
• 方法区：存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据，线程共享。
• PC寄存器：指示当前线程所执行的指令地址，线程私有。
• 程序计数器：用于存储线程的行号指示器或者指令的地址，线程私有。

内存溢出场景分析

• 堆溢出：当堆内存不足，且JVM无法再申请更多内存时，将发生堆溢出。堆溢出通常是因为创建了过多对象，例如大量小对象在短时间内被频繁创建。
• 栈溢出：当栈内存不足，且无法再扩展时，将发生栈溢出。栈溢出通常是因为递归调用太深或方法调用的局部变量过多。

直接内存管理

直接内存是指JVM堆栈之外的内存空间，用于大对象的存储，如NIO缓冲区。直接内存不受垃圾回收机制的管理，由程序员显式分配和回收。

垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM的另一大重要功能，负责回收不再使用的对象占用的内存。GC有助于提高JVM性能，减少内存占用，防止内存泄漏。

GC Roots可达性分析

GC Roots是一组对象，作为GC的起点，从这些根节点开始，向上搜索可达对象。如果一个对象不可达GC Roots，那么该对象将成为垃圾回收的候选对象。

分代收集理论

JVM通常将堆内存分为年轻代（Young）和老年代（Old），年轻代主要存放新创建的对象，老年代存放长时间存活的对象。分代收集理论旨在提高GC效率，减少停顿时间。

引用类型

• 强引用：默认的引用类型，只要强引用存在，对象就不会被回收。
• 软引用：弱引用的加强版，软引用引用的对象在内存不足时会被回收。
• 弱引用：弱引用引用的对象在垃圾回收时可能被回收。
• 虚引用：虚引用对象是最弱的一种引用，几乎等同于没有引用。

垃圾回收算法

• 标记-清除：分为标记和清除两个阶段。首先标记所有可达对象，然后清除不可达对象。
• 复制算法：将内存分为两块，每次只使用其中一块，当这块满了之后，将存活的对象复制到另一块，然后清除第一块。
• 整理算法：类似于复制算法，但会移动存活的对象，以避免内存碎片。

并发收集器

• CMS（Concurrent Mark Sweep）：一种以降低停顿时间为目标的收集器，通过并发标记和清除操作来减少停顿时间。
• G1（Garbage-First）：将堆内存分为多个区域，优先回收垃圾最多的区域，以降低停顿时间。
• ZGC（Z Garbage Collector）：旨在降低Java应用的GC延迟，通过并行和低延迟的垃圾回收算法实现。

停顿时间控制策略

• 自适应SizePolicy：动态调整垃圾回收策略，以适应应用的不同运行阶段。
• G1的并发标记停顿：通过并发标记减少停顿时间。

性能调优

• JVM参数配置：通过设置-Xms、-Xmx等参数来调整内存大小，优化GC性能。
• 内存泄漏诊断：使用工具如VisualVM来诊断内存泄漏。

JIT编译优化

JIT（Just-In-Time）编译器是JVM的一个重要特性，它将字节码编译成机器码，以提高程序的执行效率。JIT编译器通过多种优化手段，如指令重排、内联、循环展开等，提高代码的执行性能。

【二、Spring Boot知识体系】

Spring Boot是Spring框架的一个子项目，它简化了Spring应用的创建和配置过程。Spring Boot旨在简化开发工作，减少配置，使开发者能够更快地启动和运行Spring应用程序。

自动配置

Spring Boot的自动配置功能允许你只需要添加一些注解和依赖，Spring Boot就会自动配置应用程序。自动配置基于Spring框架的条件化配置机制，可以根据类路径、配置属性等条件动态配置Bean。

@EnableAutoConfiguration原理

当使用@EnableAutoConfiguration注解时，Spring Boot会根据添加的依赖自动配置相应的Bean。具体实现原理如下：

1. Spring Boot在启动时会查找所有的AutoConfiguration类。
2. 根据类路径中的依赖关系，确定哪些AutoConfiguration类需要被激活。
3. 激活的AutoConfiguration类会自动配置相应的Bean。

条件化配置（@Conditional）

条件化配置允许你在配置Bean时根据某些条件进行判断。例如，可以使用@ConditionalOnClass注解指定某个类存在时才配置Bean。

自定义Starter开发

自定义Starter可以帮助你将你的库作为依赖自动添加到Spring Boot项目中。开发自定义Starter需要创建一个Maven项目，并定义相应的依赖和配置。

起步依赖

起步依赖（Starter Dependencies）是一组预定义的Maven依赖，它们包含了Spring Boot项目中常用库的依赖。使用起步依赖可以简化项目的依赖管理，避免版本冲突。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM（Bill of Materials）文件用于管理依赖的版本，确保不同项目的依赖版本一致。BOM文件定义了依赖的版本号，避免了由于依赖传递导致的版本冲突问题。

版本冲突解决

解决版本冲突可以通过以下方式：

1. 选择兼容版本：选择一个兼容所有依赖的版本号。
2. 使用依赖继承：使用依赖继承机制，将依赖关系传递给子项目。

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、Starter POM等。例如，Spring Boot可以自动配置MyBatis、Redis等第三方库。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了健康检查、度量指标收集等功能，有助于监控和诊断应用程序。

健康检查端点

健康检查端点允许你检查应用程序的健康状态，例如检查数据库连接是否正常、缓存是否可用等。

度量指标收集

度量指标收集允许你收集应用程序的性能数据，例如请求处理时间、响应时间等。

自定义Endpoint开发

你可以自定义Endpoint来扩展Actuator的功能，例如添加自定义的度量指标或健康检查。

配置文件管理

Spring Boot支持多环境配置，通过不同的配置文件来管理不同环境的配置。例如，可以使用application-dev.yml和application-prod.yml分别配置开发环境和生产环境的配置。

多环境配置（application-{profile}.yml）

通过使用{profile}占位符，可以创建不同的配置文件，例如application-dev.yml、application-prod.yml。这样，可以根据当前的环境选择合适的配置文件。

配置加载优先级

Spring Boot会根据配置文件的存在和优先级来加载配置。通常情况下，优先加载与当前环境相关的配置文件。

动态配置刷新

Spring Boot支持动态刷新配置，即在不重启应用程序的情况下更新配置。这可以通过Spring Cloud Config或Spring Cloud Bus等工具实现。

监控与日志

Spring Boot提供了集成监控和日志的功能，有助于了解应用程序的性能和问题。

Micrometer集成

Micrometer是一个度量指标库，可以与多种监控系统集成。通过Micrometer，可以收集应用程序的性能数据，例如请求处理时间、响应时间等。

Logback/SLF4J配置

Spring Boot默认使用Logback作为日志框架，但也可以配置使用SLF4J。通过配置日志级别、输出格式等，可以自定义日志行为。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin和Jaeger。分布式链路追踪有助于了解应用程序的调用关系，分析性能瓶颈。

自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点

你可以通过自定义AutoConfigurationBean的生命周期扩展点来扩展Spring Boot的功能。例如，可以实现自定义的Bean初始化、销毁等操作。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，允许你使用WebFlux等库来创建异步和非阻塞的应用程序。响应式编程有助于提高应用程序的并发性能和可伸缩性。

通过以上知识点的串联，我们可以看出，JVM和Spring Boot是构建现代Java应用的基础。JVM提供了底层的运行时环境，而Spring Boot则在上层提供了便捷的开发体验。掌握这两个技术，可以帮助开发者高效地构建和维护Java应用。

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