JVM与Spring Boot深度解析

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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）的类加载机制是确保Java程序在运行时能够正确地使用类和接口的核心机制。这个机制不仅负责将类文件从文件系统或网络中加载到JVM中，还包括验证类文件的字节码，准备类在JVM中的存储结构，以及执行类构造器 ()方法。

1. 类加载器：类加载器是负责加载类的组件。在JVM中，类加载器可以分为以下几类：

   • Bootstrap ClassLoader：负责加载JVM启动时所需的核心类库，如rt.jar等。这个类加载器由JVM实现，通常不继承自java.lang.ClassLoader。
   • Extension ClassLoader：负责加载Java的扩展库，位于JVM的扩展目录下。
   • Application ClassLoader：负责加载应用程序的类路径（classpath）中的类。
   • 用户自定义类加载器：开发者可以自定义类加载器以实现特定的加载逻辑。

2. 类加载过程：类加载过程分为三个阶段：

   • 加载：通过类加载器查找类文件，并将其读入内存，生成一个Class对象。
   • 连接：连接阶段包括验证和准备两个步骤。验证确保类文件符合JVM规范，准备阶段是为类变量分配内存并设置默认初始值。
   • 初始化：初始化阶段是执行类构造器 ()方法的过程，它是初始化类变量的唯一方法。

双亲委派模型

双亲委派模型是Java类加载机制的一个关键特性，它规定除了顶层的Bootstrap ClassLoader外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。这种模型保证了类型安全，并避免类的重复加载。

• 当一个类加载器需要加载一个类时，它会首先请求其父类加载器进行加载。
• 只有当父类加载器无法完成加载时，才由当前类加载器尝试加载。
• Bootstrap ClassLoader的父类加载器是null，它不负责委托。

自定义类加载器

在需要特殊处理类加载逻辑时，可以创建自定义类加载器。例如，可以通过自定义类加载器来实现对特定类型文件的加载，或者实现特定的类加载策略。

• 自定义类加载器需要继承java.lang.ClassLoader类。
• 在实现类中，可以重写findClass()方法来定义类的加载逻辑。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一种模块化系统，它通过模块来组织类和资源，以减少依赖性和提高性能。

• 模块定义了一组类和资源，并且指定了它们之间的依赖关系。
• 模块化系统引入了模块描述符文件（module-info.java）来描述模块的依赖、导出和需要。
• JPMS通过模块路径（module path）来定位模块。

内存模型

JVM的内存模型包括几个关键的数据区域，每个区域都有其特定的用途。

1. 堆：堆是JVM中最大的内存区域，用于存储所有类的实例和数组的对象。

   • 堆的内存分配是动态的，垃圾回收器主要在堆上工作。
   • 堆内存可以通过JVM参数进行配置，如-Xms和-Xmx。

2. 栈：每个线程都有自己的栈，用于存储局部变量和方法调用的上下文。

   • 栈内存是线程私有的，栈的大小通常可以通过JVM参数进行调整。

3. 方法区：方法区用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据。

   • 方法区通常被称为永久代，但在Java 8之后，这部分被移至Metaspace。

4. PC寄存器：每个线程都有一个程序计数器，用于指示下一条要执行的指令。

内存溢出场景分析

内存溢出是指JVM耗尽内存资源时抛出的异常。以下是一些常见的内存溢出场景：

• 堆内存不足：创建大量对象，导致堆内存不足。
• 方法区不足：加载大量类信息，导致方法区内存不足。
• 栈内存不足：创建大量线程或方法调用深度过深，导致栈内存不足。

垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动管理内存的重要机制。它通过回收不再使用的对象来释放内存。

1. GC Roots可达性分析：GC通过从GC Roots开始，向上搜索可达对象，判断对象是否存活。

   • GC Roots通常包括方法区中的常量池引用、静态变量引用、线程栈中的本地变量引用等。

2. 分代收集理论：将内存划分为年轻代（Young）、老年代（Old）和永久代（Perm，在Java 8之后为Metaspace）。

   • 年轻代用于存放新创建的对象，老年代用于存放存活时间较长的对象。

3. 引用类型：在Java中，有四种引用类型：

   • 强引用：最普通的引用类型，不会导致垃圾回收。
   • 软引用：用于缓存，当内存不足时可以被垃圾回收。
   • 弱引用：类似于软引用，但弱引用对象在垃圾回收时一定会被回收。
   • 虚引用：几乎没有任何作用，只用于确保对象最终被垃圾回收。

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：将对象复制到新的内存区域，并清空原区域。
   • 整理：移动对象，回收内存碎片。

并发收集器

并发收集器如CMS（Concurrent Mark Sweep）和G1（Garbage-First）旨在减少停顿时间，提高应用程序的响应速度。

• CMS：是一种以减少停顿时间为目标的垃圾回收器，适用于并发量大的场景。
• G1：是一种以预测停顿时间为目标的垃圾回收器，适用于大型堆内存的场景。

停顿时间控制策略

JVM提供了多种策略来控制停顿时间，如G1的预测停顿时间控制。

• 预测停顿时间：通过预测垃圾回收所需的时间来控制停顿时间。
• 自适应调节策略：根据历史停顿时间自动调整垃圾回收策略。

性能调优

JVM性能调优包括：

• JVM参数配置：如-Xms、-Xmx、-XX:+UseG1GC等。
• 内存泄漏诊断：使用工具如VisualVM、MAT等。

JIT编译优化

JIT编译器是JVM的重要组成部分，它将字节码编译成本地机器码，以提高性能。

• 即时编译：JIT编译器在运行时将字节码编译成本地机器码。
• 热点检测：JIT编译器通过热点检测确定哪些字节码应该被编译成机器码。
• 优化技术：JIT编译器使用各种优化技术，如内联、循环展开、寄存器分配等。

Spring Boot知识体系详解

自动配置

Spring Boot的自动配置是它最强大的特性之一。它通过分析类路径上的类和配置文件，自动配置相应的Bean。

1. @EnableAutoConfiguration原理：

   • Spring Boot在启动时会扫描类路径上的类，并根据类名和配置文件来推断需要自动配置的Bean。
   • 通过条件化配置（@Conditional）来确保只有在满足特定条件时才进行自动配置。

2. 条件化配置（@Conditional）：

   • 条件化配置可以根据特定的条件动态启用或禁用配置。
   • 常用的条件注解包括@ConditionalOnClass、@ConditionalOnBean、@ConditionalOnProperty等。

自定义Starter开发

自定义Starter可以帮助开发者更容易地集成第三方库。

1. 起步依赖：

   • 起步依赖提供了一组依赖，方便用户使用。
   • 起步依赖通常位于Spring Boot的 starters 目录下。

2. 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。
   • BOM文件可以确保整个应用程序使用相同的依赖版本。

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、依赖注入等。

• 自动配置：Spring Boot可以自动配置第三方库，例如数据库连接池、缓存等。
• 依赖注入：Spring Boot使用依赖注入来管理第三方库的实例。

Actuator

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

1. 健康检查端点：

   • 健康检查端点可以检查应用程序的健康状态，例如数据库连接、服务可用性等。
   • 健康检查端点可以用于实现自定义的健康检查逻辑。

2. 度量指标收集：

   • 度量指标收集可以收集应用程序的性能指标，例如内存使用量、CPU使用率等。
   • 度量指标可以用于实现自定义的度量指标收集逻辑。

3. 自定义Endpoint开发：

   • 自定义Endpoint可以根据需要开发自定义端点，例如自定义监控数据收集、自定义配置管理等。

配置文件管理

Spring Boot支持多环境配置，如开发、测试和生产环境。

1. 多环境配置（application-{profile}.yml）：

   • 根据不同的环境加载不同的配置文件，例如application-dev.yml、application-test.yml、application-prod.yml。

2. 配置加载优先级：

   • 先加载application.yml，然后根据profile加载相应的配置文件。

3. 动态配置刷新：

   • 支持动态刷新配置，无需重启应用程序。

监控与日志

Spring Boot提供了多种监控和日志解决方案。

1. Micrometer集成：

   • Micrometer支持多种监控系统集成，例如Prometheus、Grafana等。
   • 可以通过配置文件或代码来指定监控数据的目标监控系统。

2. Logback/SLF4J配置：

   • 支持自定义日志配置，例如日志级别、格式等。
   • 可以通过配置文件或代码来指定日志的输出位置和格式。

分布式链路追踪扩展机制

Spring Boot支持分布式链路追踪，例如Zipkin、Jaeger等。

1. 自定义AutoConfigurationBean：

   • 根据需要自定义自动配置Bean，以实现自定义的分布式链路追踪逻辑。

2. 生命周期扩展点：

   • 在Bean的生命周期中添加自定义逻辑，例如自定义的初始化或销毁逻辑。

3. 响应式编程支持：

   • 支持响应式编程模型，例如WebFlux。

通过以上知识点的串联，我们可以更好地理解JVM和Spring Boot的工作原理，并在实际开发中灵活运用这些知识，提高应用程序的性能和可维护性。

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