JVM与Spring Boot知识体系

📕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。

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一、JVM知识体系

类加载机制

在JVM中，类加载机制是实现Java程序动态性和灵活性的关键。类加载过程涉及多个组件，包括类加载器、类定义文件（.class文件）以及运行时数据区。

• 类加载器（Class Loader）：JVM中的类加载器负责将类定义文件加载到JVM中。Java标准库中提供了三种主要的类加载器：启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）、扩展类加载器（Extension ClassLoader）和应用类加载器（Application ClassLoader）。启动类加载器负责加载JVM自身用到的类库，扩展类加载器负责加载JDK扩展库，而应用类加载器负责加载用户编写的类。
• 类定义文件：类定义文件（.class文件）包含了类的结构信息，如字段、方法、接口等。这些信息在类加载过程中被读取并转换为Java对象。
• 运行时数据区：在JVM运行时，每个类实例都会占用运行时数据区的一部分。运行时数据区包括堆（Heap）、栈（Stack）、方法区（Method Area）和PC寄存器（PC Register）。

类加载过程

类加载过程分为加载、验证、准备、解析和初始化五个阶段。

• 加载（Loading）：类加载器查找并加载类的字节码文件。在这个过程中，类加载器会检查类文件是否有效，并且将其存储在JVM的内存中。
• 验证（Verification）：验证类文件确保其符合JVM规范，不会对JVM的稳定运行造成威胁。验证过程包括结构验证、逻辑验证和符号引用验证。
• 准备（Preparation）：为类变量分配内存并设置默认初始值。这个阶段不涉及实例化对象，仅对类变量进行内存分配。
• 解析（Resolution）：将符号引用转换为直接引用。符号引用是指编译时生成的引用，而直接引用是指运行时可以直接访问的引用。
• 初始化（Initialization）：执行类的初始化代码，包括静态变量的赋值和静态代码块。这个阶段是初始化类的关键步骤。

双亲委派模型

双亲委派模型是一种类加载策略，要求类加载器在尝试加载类之前，首先请求其父类加载器加载。这种模型有助于保证类型安全，避免同名类的冲突。

自定义类加载器

自定义类加载器允许开发者根据特定需求创建类加载器。这可以通过继承ClassLoader类或实现ClassLoading接口来实现。

• 继承ClassLoader：通过继承ClassLoader并重写loadClass方法，可以创建自定义类加载器。
• 实现ClassLoading接口：通过实现ClassLoading接口，可以提供类加载的完整实现。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的模块化系统，它通过模块定义了应用程序的组件和依赖关系，提高了应用程序的模块化和安全性。

• 模块定义：模块通过module-info.java文件来定义，其中指定了模块的名称、导出、依赖等信息。
• 模块解析：JVM在运行时会解析模块依赖，确保所有需要的模块都已经被正确加载。

内存模型

JVM的内存模型包括堆、栈、方法区和PC寄存器等运行时数据区。

• 堆（Heap）：堆是存储所有类的实例和数组的对象的地方。堆内存由JVM自动管理。
• 栈（Stack）：栈存储线程的局部变量和方法调用栈。每个线程都有自己的栈。
• 方法区（Method Area）：方法区存储已经被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据。
• PC寄存器：PC寄存器存储指向当前正在执行的指令的指针。

内存溢出场景分析

内存溢出是指JVM的内存使用超出其限制，导致程序无法正常运行。常见的内存溢出场景包括堆内存溢出、栈内存溢出和方法区溢出。

• 堆内存溢出：创建大量对象，导致堆内存不足。
• 栈内存溢出：递归调用深度过深，导致栈内存不足。
• 方法区溢出：加载大量类信息，导致方法区内存不足。

垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动管理内存的一种机制。垃圾回收的过程包括GC Roots可达性分析、分代收集理论和引用类型。

• 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。
• 分代收集理论：将对象分为新生代、老年代和永久代，分别采用不同的回收策略。
• 引用类型：包括强引用、软引用、弱引用和虚引用，不同类型的引用对垃圾回收有不同的影响。

垃圾回收算法

常见的垃圾回收算法包括标记-清除（Mark-Sweep）算法、复制（Copying）算法和整理（Mark-Compact）算法。

• 标记-清除（Mark-Sweep）算法：标记所有可达对象，然后清除未被标记的对象。
• 复制（Copying）算法：将对象分为两块，每次只使用其中一块，当这一块满了，就将存活的对象复制到另一块，然后交换两块的角色。
• 整理（Mark-Compact）算法：类似于标记-清除，但在清除后对堆内存进行整理，以提高空间利用率。

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，从而减少对应用程序性能的影响。常见的并发收集器包括CMS（Concurrent Mark Sweep）、G1（Garbage-First）和ZGC（Z Garbage Collector）。

• CMS（Concurrent Mark Sweep）：适用于响应时间敏感的应用程序。
• G1（Garbage-First）：适用于大堆内存的应用程序。
• ZGC（Z Garbage Collector）：适用于对延迟要求极高的应用程序。

停顿时间控制策略

为了减少垃圾回收对应用程序性能的影响，JVM提供了多种停顿时间控制策略，如自适应大小（Adaptive Size）和G1的动态设置（G1 Dynamic Set）。

性能调优

性能调优是提高JVM性能的关键。常用的性能调优方法包括JVM参数配置、内存泄漏诊断和JIT编译优化。

二、Spring Boot知识体系

自动配置

Spring Boot的自动配置功能可以自动配置Spring应用程序的许多组件，从而减少配置工作量。自动配置的原理基于Spring的@Configuration注解和条件化配置。

• @EnableAutoConfiguration：通过该注解启用自动配置。
• 条件化配置（@Conditional）：根据特定的条件来决定是否应用某些配置。

自定义Starter开发

自定义Starter可以帮助开发者简化依赖管理。以下是一些关键步骤：

• 起步依赖：定义起步依赖，包含所有必要的依赖项。
• 依赖管理机制：使用pom.xml或build.gradle文件来管理依赖。
• 版本冲突解决：使用依赖管理工具（如Maven或Gradle）来解决版本冲突。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库的集成模式，包括自动配置和配置文件。

• 自动配置：自动配置第三方库的Bean。
• 配置文件：通过配置文件来配置第三方库。

Actuator

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

• 健康检查端点：检查应用程序的健康状态。
• 度量指标收集：收集应用程序的性能指标。
• 自定义Endpoint开发：开发自定义端点来满足特定的监控需求。

配置文件管理

Spring Boot使用配置文件来管理应用程序的配置。

• 多环境配置：使用application-{profile}.yml文件来管理不同环境的配置。
• 配置加载优先级：配置文件的加载顺序和优先级。
• 动态配置刷新：在运行时动态刷新配置。

监控与日志

Spring Boot提供了多种监控和日志解决方案，包括Micrometer和Logback/SLF4J。

• Micrometer：用于度量指标收集。
• Logback/SLF4J：用于日志记录。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，允许开发者追踪分布式系统的请求路径。

• 自定义AutoConfigurationBean：自定义Bean来支持链路追踪。
• 生命周期扩展点：在Bean的生命周期中添加扩展点。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，使用Reactor、Project Reactor等库来实现响应式编程。

• 响应式编程模型：使用Reactor、Project Reactor等库来实现响应式编程。
• 非阻塞IO：使用Netty、Undertow等库来实现非阻塞IO。

通过以上对JVM和Spring Boot知识体系的详细描述，我们可以看到这两个技术在现代Java开发中的应用非常广泛。JVM作为Java语言的运行环境，提供了强大的性能和灵活性；而Spring Boot则简化了Spring应用程序的开发和配置过程。在实际开发中，开发者需要根据具体的应用场景和需求，灵活运用这些技术，以达到最佳的开发效果。

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