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。

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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运行时环境的核心之一，它确保了类在运行时的正确性、安全性和效率。类加载机制主要包括以下几个过程：

1. 加载（Loading）：类加载器负责查找和加载指定的类。在加载过程中，JVM会进行以下操作：

   • 验证：确保加载的类文件符合JVM规范，包括字节码的完整性、结构正确性等。
   • 准备：为类变量分配内存，并设置默认值。对于基本数据类型，默认值是0；对于引用数据类型，默认值是null。
   • 解析：将符号引用转换为直接引用，例如将类的全限定名解析为虚拟机内部使用的类型符号。

2. 连接（Linking）：连接过程包括以下三个阶段：

   • 验证：对类的字节码进行校验，确保其正确性。
   • 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）：初始化阶段为类变量赋予正确的初始值，包括使用静态代码块等。这个阶段是类加载的最后一步，也是最为复杂的一步。

双亲委派模型

双亲委派模型是JVM默认的类加载机制，它要求类加载器首先请求其父类加载器加载类，只有当父类加载器无法加载该类时，才由当前类加载器尝试加载。这种模型的优点如下：

• 避免类的重复加载：父类加载器已经加载过的类，子类加载器不再重复加载，减少了资源消耗。
• 提高类加载的效率：减少了类加载器的搜索时间。

双亲委派模型的工作流程如下：

1. 当前类加载器尝试加载指定的类。
2. 如果当前类加载器无法加载该类，则向上请求父类加载器加载。
3. 如果父类加载器也无法加载该类，则由当前类加载器尝试加载。

自定义类加载器

在实际应用中，可以通过继承ClassLoader类或实现ClassLoading接口来创建自定义类加载器。自定义类加载器可以用于以下场景：

• 加载特定版本的类库。
• 加载加密或签名的类库。
• 加载从网络加载的类。

自定义类加载器需要重写以下方法：

• loadClass：负责加载指定的类。
• findClass：负责查找指定的类。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一个模块化系统，它将JVM分为多个模块，每个模块可以独立编译和部署。JPMS通过模块描述符（module-info.java）来定义模块的依赖关系和提供的API。

模块描述符的主要内容包括：

• 模块的名称、版本和提供的主API。
• 依赖的其他模块。
• 导入和导出声明。
• 打包声明。

内存模型

JVM的内存模型主要包括以下部分：

1. 运行时数据区：包括堆、栈、方法区和PC寄存器。

   • 堆：存储所有Java对象实例及数组。
   • 栈：存储局部变量和方法调用的上下文。
   • 方法区：存储类信息、常量、静态变量等。
   • PC寄存器：存储当前线程所执行的指令地址。

2. 本地方法栈：用于存储本地方法（Native方法）的栈帧。

3. 程序计数器：存储线程下一条指令的地址。

内存溢出场景分析

内存溢出是指程序在运行过程中，内存使用超过了JVM分配的最大内存。常见的内存溢出场景包括：

1. 大对象内存溢出：当创建的大对象超过了JVM的最大堆内存时，就会发生内存溢出。
2. 内存泄漏：当不再需要的对象无法被垃圾回收器回收时，就会发生内存泄漏。
3. 堆外内存溢出：当堆外内存（如Direct ByteBuffer）使用超过分配的内存时，就会发生堆外内存溢出。

垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动管理内存的重要机制。GC通过判断对象是否可达，回收不再使用的对象所占用的内存。

1. GC Roots可达性分析：从GC Roots开始，向上遍历可达的对象，确定哪些对象是可达的。
2. 分代收集理论：将对象分为新生代（Young）、老年代（Old）和永久代（Perm）三个区域，针对不同区域采用不同的回收算法。
3. 引用类型：包括强引用、软引用、弱引用和虚引用。
4. 垃圾回收算法：
   • 标记-清除：标记可达对象，清除不可达对象。
   • 复制：将对象复制到另一块内存，并清除原内存。
   • 整理：将存活对象移动到内存的一端，释放另一端的空间。

并发收集器

JVM提供了多种并发收集器，如CMS（Concurrent Mark Sweep）、G1（Garbage-First）和ZGC（Z Garbage Collector）。这些收集器在运行时尽可能减少停顿时间。

1. CMS收集器：是一种以减少停顿时间为目标的收集器，适用于响应时间敏感的应用场景。
2. G1收集器：是一种基于区域划分的收集器，适用于大堆内存的应用场景。
3. ZGC收集器：是一种低延迟的收集器，适用于对停顿时间要求极高的应用场景。

停顿时间控制策略

停顿时间控制策略包括最大停顿时间目标、响应时间目标和吞吐量目标。通过调整JVM参数，可以控制垃圾回收过程中的停顿时间。

1. 最大停顿时间目标：确保垃圾回收过程中的最大停顿时间不超过设定的阈值。
2. 响应时间目标：确保垃圾回收过程中的平均停顿时间不超过设定的阈值。
3. 吞吐量目标：确保垃圾回收过程中的平均停顿时间与运行时间的比值不超过设定的阈值。

性能调优

JVM性能调优主要包括以下方面：

1. JVM参数配置：通过设置Xms、Xmx等参数，调整堆内存大小。
2. 内存泄漏诊断：使用工具（如MAT、VisualVM）诊断内存泄漏问题。
3. JIT编译优化：JIT编译器会对热点代码进行优化，提高程序运行效率。

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框架和第三方库，简化了开发过程。自动配置的实现原理如下：

1. @EnableAutoConfiguration：通过注解启用自动配置。
2. 条件化配置（@Conditional）：根据特定条件动态启用或禁用配置。

自动配置的流程如下：

1. Spring Boot启动时，会根据项目依赖自动加载相应的自动配置类。
2. 自动配置类会根据项目依赖动态配置Spring框架和第三方库。
3. 开发者可以通过自定义配置类覆盖自动配置的默认行为。

自定义Starter开发

自定义Starter可以帮助开发者将常用依赖和配置封装成一个模块，方便其他项目使用。开发自定义Starter主要包括以下步骤：

1. 创建Maven项目，添加依赖。
2. 编写Starter的配置文件。
3. 创建自动配置类。
4. 将Starter发布到Maven仓库。

起步依赖

Spring Boot的起步依赖（Starter POM）是一种Maven依赖管理方式，它将常用依赖和版本封装在一起，方便开发者使用。

起步依赖的原理如下：

1. Spring Boot创建了一个特殊的Maven依赖，称为起步依赖。
2. 起步依赖中包含了所有常用依赖和版本信息。
3. 开发者可以通过添加起步依赖，轻松地引入所需的依赖。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM（Bill of Materials）文件用于定义项目中所有依赖的版本信息，确保项目在不同环境下的依赖版本一致性。

BOM文件的原理如下：

1. BOM文件中定义了项目中所有依赖的版本信息。
2. 当项目在不同环境（如开发、测试、生产）下编译时，会根据BOM文件中的版本信息自动选择正确的依赖版本。
3. 这避免了因为依赖版本不一致而导致的版本冲突问题。

版本冲突解决

版本冲突是项目中常见的依赖问题。解决版本冲突的方法包括：

1. 使用依赖树分析工具（如Mvn dependency:tree）分析依赖关系。
2. 优先使用高版本依赖。
3. 使用排除依赖（ ）排除冲突的依赖。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式，包括：

1. 接口集成
2. 实现集成
3. 注解集成

接口集成是将第三方库的接口集成到Spring Boot项目中，实现与第三方库的交互。

实现集成是将第三方库的实现集成到Spring Boot项目中，实现与第三方库的交互。

注解集成是通过使用第三方库提供的注解，实现与第三方库的交互。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了一系列端点，用于监控和管理应用程序。这些端点包括：

1. 健康检查端点
2. 度量指标收集端点
3. 自定义端点

Actuator的原理如下：

1. Spring Boot在启动时会自动注册Actuator端点。
2. 开发者可以通过访问Actuator端点，获取应用程序的运行状态、性能指标等信息。
3. 开发者可以根据需要自定义Actuator端点。

配置文件管理

Spring Boot使用配置文件（如application.yml）来管理应用程序的配置。配置文件支持多环境配置、动态配置刷新等功能。

配置文件管理的原理如下：

1. Spring Boot启动时会读取配置文件，并根据配置文件中的配置信息初始化应用程序。
2. 开发者可以通过修改配置文件，动态修改应用程序的配置信息。
3. Spring Boot支持多环境配置，开发者可以为不同环境创建不同的配置文件。

监控与日志

Spring Boot支持多种监控和日志框架，如Micrometer、Logback和SLF4J。

1. Micrometer：用于度量指标收集。
   • Micrometer支持多种度量指标收集器，如Prometheus、Graphite等。
   • 开发者可以使用Micrometer收集应用程序的性能指标，并将其发送到相应的监控系统。
2. Logback/SLF4J：用于日志记录。
   • Logback是一个高性能的日志框架，它提供了丰富的日志记录功能。
   • SLF4J是一个日志门面，它提供了统一的日志记录接口。
   • 开发者可以使用Logback/SLF4J记录应用程序的日志信息。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin和Jaeger。

分布式链路追踪的原理如下：

1. 当应用程序的请求在分布式系统中传递时，链路追踪框架会将请求的轨迹记录下来。
2. 开发者可以通过链路追踪框架查看请求的执行过程，定位问题。
3. 常用的链路追踪框架包括Zipkin、Jaeger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。

1. 自定义AutoConfigurationBean：通过实现AutoConfigurePackage接口，自定义自动配置类。
   • 自定义AutoConfigurationBean可以扩展Spring Boot的自动配置功能。
   • 开发者可以通过自定义AutoConfigurationBean，实现自定义的自动配置逻辑。
2. 生命周期扩展点：通过实现ApplicationListener接口，监听应用程序的生命周期事件。
   • 生命周期扩展点可以扩展Spring Boot的生命周期管理功能。
   • 开发者可以通过生命周期扩展点，监听应用程序的生命周期事件，并执行相应的操作。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，如Spring WebFlux。

1. 响应式编程：使用Mono和Flux等响应式数据类型，处理异步数据流。
   • 响应式编程可以提升应用程序的性能和可扩展性。
   • 开发者可以使用Spring WebFlux构建异步、非阻塞的Web应用程序。

通过以上对JVM和Spring Boot知识体系的详细讲解，相信您对这些知识点有了更深入的理解。在实际应用中，可以根据具体需求，灵活运用这些知识点，提高开发效率和程序性能。

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