JVM与Spring Boot详解

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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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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程序运行的基础，它负责在运行时将编译好的.class文件加载到JVM中，确保类在运行前被正确地准备和初始化。类加载机制包括以下关键组件：

1. 类加载器：负责将.class文件加载到JVM中，包括启动类加载器、扩展类加载器和应用程序类加载器。
2. 双亲委派模型：要求除了启动类加载器外，其余类加载器都先委派给父类加载器尝试加载，只有父类加载器无法加载时，才自己去加载。
3. 类加载器缓存：JVM内部维护了一个类加载器缓存，用于存储已经加载的类信息，避免重复加载。

类加载过程

类加载过程分为三个阶段：

1. 加载（Loading）：通过类加载器找到并加载.class文件，分配内存，创建类对象。加载过程包括以下步骤：

   • 查找类文件：通过文件系统或网络查找.class文件。
   • 加载类文件：将.class文件读入内存，并创建方法区数据结构。
   • 链接类信息：将类信息存入方法区。

2. 连接（Linking）：将类信息链接到JVM中，包括以下步骤：

   • 验证：确保类信息符合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）：执行类构造器（<clinit>()），初始化类变量和静态初始化块。

双亲委派模型

双亲委派模型是一种类加载策略，它确保了类加载的稳定性，避免了类定义冲突。在双亲委派模型中，每个类加载器都有一个父类加载器，除了启动类加载器外。当需要加载类时，子类加载器首先请求父类加载器加载，如果父类加载器无法加载，则子类加载器自己加载。

自定义类加载器

自定义类加载器允许开发者加载非标准位置的类或特殊类。通过继承ClassLoader类或实现ClassLoadable接口，可以创建自定义类加载器。自定义类加载器通常用于以下场景：

1. 加载特定版本的类库。
2. 加载由第三方提供的类。
3. 加载由用户自定义的类。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一个模块化系统，旨在提高JVM的启动速度和安全性。JPMS通过模块来组织代码，每个模块包含一组类和资源，模块之间通过模块描述符进行依赖声明。

内存模型

JVM的内存模型包括以下部分：

1. 运行时数据区：

   • 堆：存储几乎所有的对象实例和数组，由垃圾回收器管理。
   • 栈：存储局部变量和方法参数，线程私有。
   • 方法区：存储类信息、常量、静态变量等，线程共享。
   • PC寄存器：指向当前执行的方法在方法区的代码。

2. PC寄存器：用于指示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：

1. 创建大量对象，导致堆内存不足。
2. 方法内部循环创建对象，占用大量内存。
3. 循环引用，导致垃圾回收器无法回收对象。

直接内存管理

JVM通过java.nio包提供的ByteBuffer类直接管理直接内存，这部分内存不占用堆内存，由操作系统的内存管理。

垃圾回收

垃圾回收是JVM自动释放不再使用的内存的过程。垃圾回收算法包括：

1. 标记-清除：标记所有可达对象，清除未被标记的对象。
2. 复制：将对象复制到另一块空间，然后交换。
3. 整理：将所有存活对象压缩到内存的一端。

并发收集器

JVM提供了多种并发收集器，如CMS（Concurrent Mark Sweep）和G1（Garbage-First）。并发收集器可以减少垃圾回收对应用程序的影响。

停顿时间控制策略

JVM提供了多种策略来控制垃圾回收时的停顿时间，如G1的暂停时间目标（PSMT）。

性能调优

通过调整JVM参数（如-Xms、-Xmx等）和监控内存使用情况，可以优化JVM性能。

内存泄漏诊断

内存泄漏是指无法被垃圾回收器回收的内存，可以通过工具如Eclipse Memory Analyzer Tool（MAT）进行诊断。

JIT编译优化

JIT编译器可以将字节码即时编译成本地机器码，提高程序运行效率。

Spring Boot知识体系详解

自动配置

Spring Boot通过自动配置功能，自动配置应用程序所需的大部分Bean。自动配置的实现原理如下：

1. 条件化配置：根据类路径下存在的类、属性值等条件，自动配置Bean。
2. 配置元数据：通过@Configuration、@Bean等注解，定义配置元数据。
3. 配置属性：通过@Value、@ConfigurationProperties等注解，读取配置文件中的属性。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解是Spring Boot自动配置的核心。它通过扫描类路径下所有jar包的META-INF/spring.factories文件，找到所有EnableAutoConfiguration注解的类，并自动配置这些类。

条件化配置（@Conditional）

条件化配置允许在满足特定条件时才进行配置。@Conditional注解可以用于类、方法和字段。

自定义Starter开发

自定义Starter允许开发者将一组库和配置封装成一个可重用的组件。自定义Starter的开发步骤如下：

1. 创建Maven项目，添加依赖。
2. 添加spring-boot-starter和spring-boot-configuration-processor依赖。
3. 定义自动配置类。
4. 添加spring.factories文件。

起步依赖

起步依赖是Spring Boot的核心特性，它允许开发者通过添加一个依赖项来引入一系列相关依赖。

依赖管理机制

Spring Boot使用Maven或Gradle进行依赖管理，通过pom.xml或build.gradle文件定义依赖项。

版本冲突解决

依赖冲突可以通过以下方法解决：

1. 优先级原则：依赖的版本越高，优先级越高。
2. 使用依赖排除：在依赖中排除指定版本的依赖。
3. 使用传递性依赖：通过依赖传递，引入相关依赖。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式，如自动配置、配置属性等。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了对应用程序运行状况的监控和度量。Actuator提供以下功能：

1. 健康检查端点：用于检查应用程序的健康状态。
2. 度量指标收集：收集应用程序的运行时数据。
3. 自定义Endpoint开发：允许开发者自定义端点。

配置文件管理

Spring Boot使用配置文件（如application.properties和application.yml）来管理应用程序的配置。配置文件支持以下格式：

1. properties：使用键值对形式定义配置。
2. yml：使用键值对形式定义配置，支持数据嵌套。

多环境配置

Spring Boot支持多环境配置，如application-dev.yml和application-prod.yml。通过设置环境变量SPRING_PROFILES_ACTIVE，可以激活指定环境的配置。

配置加载优先级

配置文件的加载顺序如下：

1. 命令行参数。
2. application-{profile}.yml。
3. application.yml。

动态配置刷新

Spring Boot支持动态配置刷新，允许在运行时更新配置。

监控与日志

Spring Boot集成了多种监控和日志工具，如Micrometer和Logback。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin和Jaeger。

扩展机制

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

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，如WebFlux。

通过以上对JVM和Spring Boot知识体系的详细解析，我们不仅了解了各自的核心概念和特性，还通过串联和举例，使得知识点更加生动和易懂。在实际应用中，这些知识将帮助我们更好地构建高效、可维护的Java应用程序。

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