JVM与Spring Boot深度解析

📕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。

🌾阅读前，快速浏览目录和章节概览可帮助了解文章结构、内容和作者的重点。了解自己希望从中获得什么样的知识或经验是非常重要的。建议在阅读时做笔记、思考问题、自我提问，以加深理解和吸收知识。阅读结束后，反思和总结所学内容，并尝试应用到现实中，有助于深化理解和应用知识。与朋友或同事分享所读内容，讨论细节并获得反馈，也有助于加深对知识的理解和吸收。💡在这个美好的时刻，笔者不再啰嗦废话，现在毫不拖延地进入文章所要讨论的主题。接下来，我将为大家呈现正文内容。

JVM知识体系详解

类加载机制

Java虚拟机（JVM）的类加载机制是JVM实现多态性、封装性和继承性的基石。它负责在运行时将类的字节码加载到JVM中，并创建相应的Java对象。

1. 加载（Loading）：类加载的第一步是加载过程，在这个过程中，JVM将查找并读取指定的.class文件，然后通过ClassReader将.class文件转换成Class对象。

2. 验证（Verification）：验证过程是确保字节码文件的正确性和安全性，防止恶意代码破坏JVM的安全机制。验证过程主要分为三个阶段：

   • 类文件结构验证：检查.class文件的格式是否正确，包括魔数、版本号、常量池等。
   • 字节码验证：检查字节码的指令序列是否合法，如跳转指令是否有效等。
   • 符号引用验证：验证类、接口、字段、方法等的符号引用是否有效。

3. 准备（Preparation）：准备阶段为类变量分配内存，并设置初始值。对于static变量，其初始值通常是默认值，例如整型变量为0，布尔变量为false，引用变量为null。

4. 解析（Resolution）：解析过程是将符号引用转换为直接引用。例如，将方法签名中的Class类型的参数转换为Class对象。

5. 初始化（Initialization）：初始化阶段是为类变量赋予正确的初始值，包括显式初始化代码、静态代码块等。这一阶段是类构造的一部分，是所有类构造过程的最后一步。

双亲委派模型

双亲委派模型要求类加载器首先委托其父类加载器去加载类，只有当父类加载器无法加载时，才由自己来加载。这种模型有以下优点：

• 安全性：防止核心API被随意篡改。
• 稳定性：保证了类型的安全性和稳定性。
• 结构清晰：使得JVM结构更加清晰。

自定义类加载器

自定义类加载器允许开发者实现特定的类加载逻辑。在实现自定义类加载器时，需要重写以下方法：

• findClass(String name)：根据指定的类名查找并返回类的字节码。
• loadClass(String name)：根据类名查找类，如果未找到，则返回null。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一种模块化系统，它通过模块的概念将代码组织成独立的、可复用的组件。模块化系统有以下优点：

• 减少依赖：通过模块化，可以减少项目之间的依赖关系。
• 提高安全性：模块可以定义访问权限，保护模块内部的代码不被外部访问。
• 提高性能：模块化可以提高JVM的性能，因为模块化系统可以减少类的加载和链接时间。

内存模型

JVM的内存模型包括以下几个区域：

1. 运行时数据区（Runtime Data Area）：
   • 堆（Heap）：存放几乎所有的对象实例和数组的内存区域。堆的大小可以通过JVM参数-Xmx和-Xms进行调整。
   • 栈（Stack）：每个线程都有自己的栈，用于存储局部变量和方法调用栈。栈的大小可以通过JVM参数-Xss进行调整。
   • 方法区（Method Area）：存放已经被加载的类信息、常量、静态变量等数据。方法区的大小可以通过JVM参数-XX:MaxPermSize进行调整（在Java 8及之前的版本）。
   • PC寄存器：每个线程都有一个程序计数器，用于指示当前线程下一条要执行的指令。

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：创建大量对象。
• 栈内存溢出：方法调用太深。
• 方法区溢出：类定义太多。

垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动内存管理的重要机制。它通过识别并回收不再使用的对象来避免内存溢出。

1. GC Roots可达性分析：从GC Roots开始，向上遍历可达对象，不可达对象将被回收。GC Roots通常包括以下几种类型：

   • 方法栈：当前线程的方法栈中的局部变量表。
   • 栈帧：栈帧中的operand stack和local variable array。
   • 线程本地存储：线程本地存储中的变量。
   • 静态变量：类的静态变量。
   • 常量池：常量池中的常量。

2. 分代收集理论：将对象分为新生代（Young）和老年代（Old），分别采用不同的回收策略。

   • 新生代：使用复制算法或标记-清除算法。
   • 老年代：使用标记-清除、标记-整理或并发收集器。

3. 引用类型：分为强、软、弱、虚引用，不同类型的引用对垃圾回收有不同的影响。

   • 强引用：垃圾回收器不会回收强引用的对象。
   • 软引用：垃圾回收器在内存不足时会回收软引用的对象。
   • 弱引用：垃圾回收器会立即回收弱引用的对象。
   • 虚引用：垃圾回收器会回收虚引用的对象，并通过引用队列通知程序。

4. 垃圾回收算法：

   • 标记-清除：标记所有可达对象，清除未被标记的对象。
   • 复制：将对象复制到新的空间，清除旧空间。
   • 标记-整理：类似于标记-清除，但会移动对象以避免内存碎片。

并发收集器

并发收集器可以在应用程序运行时进行垃圾回收，减少应用程序的停顿时间。

• CMS（Concurrent Mark Sweep）：适用于对停顿时间要求较高的场景。
• G1（Garbage-First）：适用于大内存场景，可以减少停顿时间。
• ZGC（Z Garbage Collector）：适用于对延迟敏感的场景。

停顿时间控制策略

为了减少垃圾回收带来的停顿时间，JVM提供了多种控制策略，如：

• 自适应大小调整：根据内存使用情况动态调整堆大小。
• 并发收集：在应用程序运行时进行垃圾回收。

性能调优

JVM性能调优主要涉及以下几个方面：

• JVM参数配置：通过配置Xms、Xmx等参数来调整堆内存大小。
• 内存泄漏诊断：通过工具检测内存泄漏。
• JIT编译优化：JVM的即时编译器可以对字节码进行优化，提高性能。

Spring Boot知识体系详解

自动配置

Spring Boot的自动配置是通过SpringFactoriesLoader和ConfigurationClassPostProcessor实现的。SpringFactoriesLoader负责加载配置类所在的文件META-INF/spring.factories，而ConfigurationClassPostProcessor负责解析配置类，并生成相应的Bean。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解通过Spring的AutoConfigurationImportSelector类来实现自动配置。AutoConfigurationImportSelector类会读取META-INF/spring.factories文件，并根据添加的jar依赖筛选出对应的配置类。

条件化配置（@Conditional）

条件化配置允许根据特定条件选择性地添加或排除配置。常用的条件注解包括@ConditionalOnClass、@ConditionalOnBean、@ConditionalOnMissingBean等。

自定义Starter开发

自定义Starter可以帮助其他开发者更容易地使用你的库。在自定义Starter时，需要创建一个spring-boot-starter项目，并将你的库打包成一个spring-boot-starter依赖。

起步依赖

起步依赖是Spring Boot项目中的基本依赖，它简化了项目的构建过程。起步依赖通常包括以下几种类型：

• 依赖声明：声明了项目所需的依赖关系。
• 自动配置：自动配置了相关的Bean。
• 元数据：包含了项目的元数据信息。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM（Bill of Materials）文件可以确保项目的所有依赖都使用相同的版本。在Spring Boot项目中，可以通过引入BOM文件来确保依赖的一致性。

版本冲突解决

使用BOM文件或手动管理依赖可以解决版本冲突问题。在手动管理依赖时，需要确保所有依赖的版本都是兼容的。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库的集成模式，如 Starter POM、自定义配置等。

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

健康检查端点可以用来检查应用程序的健康状态。常用的健康检查端点包括/actuator/health、/actuator/health/liveness、/actuator/health/readiness等。

度量指标收集

Spring Boot Actuator支持度量指标收集，可以帮助开发者了解应用程序的性能。常用的度量指标包括内存使用情况、线程信息、数据库连接信息等。

自定义Endpoint开发

开发者可以根据需要自定义Endpoint。自定义Endpoint可以通过实现Endpoint接口或使用@Endpoint注解来实现。

配置文件管理

Spring Boot支持多环境配置，通过配置文件application-{profile}.yml来管理不同环境的配置。

配置加载优先级

配置加载优先级可以通过配置文件的位置和文件名来控制。配置文件的位置越靠前，其优先级越高。

动态配置刷新

Spring Boot支持动态配置刷新，允许在应用程序运行时更改配置。动态配置刷新可以通过Spring Cloud Config实现。

监控与日志

Spring Boot集成了一系列监控和日志框架，如Micrometer、Logback/SLF4J等。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，可以帮助开发者了解分布式系统的运行情况。常用的分布式链路追踪框架包括Zipkin、Skywalking等。

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，允许开发者以异步方式处理事件。响应式编程可以通过Spring WebFlux实现。

知识点串联与举一反三

在了解了JVM和Spring Boot的知识体系后，我们可以通过以下方式串联知识点并举一反三：

1. 类加载机制与Spring Boot自动配置：Spring Boot的自动配置机制利用了JVM的类加载机制，通过加载特定的类来配置应用程序。

2. 内存溢出与性能调优：了解内存溢出的原因可以帮助我们进行JVM性能调优，从而提高应用程序的性能。

3. 垃圾回收与Spring Boot监控：垃圾回收的性能直接影响应用程序的性能，Spring Boot的Actuator可以帮助我们监控垃圾回收的性能。

4. 响应式编程与Spring Boot：Spring Boot支持响应式编程，可以帮助我们开发高性能的异步应用程序。

📥博主的人生感悟和目标

希望各位读者大大多多支持用心写文章的博主，现在时代变了，信息爆炸，酒香也怕巷子深，博主真的需要大家的帮助才能在这片海洋中继续发光发热，所以，赶紧动动你的小手，点波关注❤️，点波赞👍，点波收藏⭐，甚至点波评论✍️，都是对博主最好的支持和鼓励！

- 💂 博客主页： Java程序员廖志伟
- 👉 开源项目： Java程序员廖志伟
- 🌥 哔哩哔哩： Java程序员廖志伟
- 🎏 个人社区： Java程序员廖志伟
- 🔖 个人微信号： SeniorRD

📙经过多年在CSDN创作上千篇文章的经验积累，我已经拥有了不错的写作技巧。同时，我还与清华大学出版社签下了四本书籍的合约，并将陆续出版。这些书籍包括了基础篇、进阶篇、架构篇的📌《Java项目实战—深入理解大型互联网企业通用技术》📌，以及📚《解密程序员的思维密码--沟通、演讲、思考的实践》📚。具体出版计划会根据实际情况进行调整，希望各位读者朋友能够多多支持！

🔔如果您需要转载或者搬运这篇文章的话，非常欢迎您私信我哦~