JVM与Spring Boot核心解析

原创 于 2025-08-02 09:16:09 发布 · 388 阅读 · 20 ·
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#Java #JVM #Performance Optimization

📕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）、《解密程序员的思维密码——沟通、演讲、思考的实践》作者、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。

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Java程序员廖志伟

💡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。

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一、JVM知识体系

类加载机制

在Java虚拟机（JVM）中，类加载机制是执行Java程序的第一步。它确保了当Java代码运行时，每个类只被加载一次。类加载过程大致分为三个阶段：

  1. 加载：这个阶段负责将类文件从文件系统或网络中读取到JVM中。JVM通过类加载器（Class Loader）来完成这个任务。类加载器分为启动类加载器（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<JAVA_HOME>/lib目录中的类库，扩展类加载器负责加载<JAVA_HOME>/lib/ext目录中的类库，应用类加载器负责加载用户类路径（classpath）中的类。

  2. 连接：连接阶段包括验证、准备和解析三个步骤。验证确保类文件符合Java虚拟机规范；准备为类变量分配内存，并设置默认初始值；解析将符号引用转换为直接引用。

  3. 初始化：初始化是类加载过程的最后一个阶段，它是执行类构造器<clinit>()的过程。类构造器负责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，它要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。当一个类加载器收到类加载请求时，它会首先委派给父类加载器进行加载，只有当父类加载器无法完成加载时，才自己去加载。

这种模型的好处是，它确保了Java程序的安全性和稳定性。例如，java.lang.Object类是由启动类加载器加载的，如果其他类加载器也加载了一个名为java.lang.Object的类，这将会导致程序错误。

自定义类加载器

自定义类加载器允许开发者实现自己的类加载逻辑。这可以通过继承ClassLoader类或实现java.lang.ClassLoader接口来完成。自定义类加载器可以加载来自特定来源的类，如文件系统、网络或数据库。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的模块化系统，它通过模块来组织代码，提高了代码的复用性和安全性。每个模块都可以包含自己的类、接口和资源，并且可以声明依赖其他模块。

在JPMS中，模块通过module-info.java文件来定义，其中可以指定模块的名称、版本、主类、依赖关系等。

内存模型

JVM的内存模型包括以下几个运行时数据区：

  1. 堆：堆是所有类实例和数组的内存分配区域。它是JVM管理的最大一块内存区域，也是垃圾回收的主要区域。

  2. 栈：栈是线程私有的内存区域，用于存储局部变量表、操作数栈、方法出口等信息。

  3. 方法区：方法区是存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据的地方。

  4. PC寄存器：PC寄存器是每个线程独有的寄存器，用于存储指向下一条指令的指针。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在堆内存不足时，常见场景包括：

  • 创建大量对象：在短时间内创建大量对象，超过堆内存容量。
  • 长期持有大对象：长期持有大对象，导致垃圾回收器无法回收。
  • 循环引用：对象之间相互引用，形成循环，导致垃圾回收器无法回收。
垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动管理内存的重要机制。它的核心是回收不再使用的对象所占用的内存。垃圾回收器通过可达性分析来确定哪些对象是可达的，哪些是不可达的。

  1. GC Roots可达性分析：从GC Roots开始，向上遍历可达对象，不可达的对象将被回收。

  2. 分代收集理论：将对象分为新生代和老年代，分别采用不同的回收策略。

  3. 引用类型：不同引用类型对垃圾回收的影响不同。强引用不会被回收，软引用和弱引用可能会被回收。

垃圾回收算法

常见的垃圾回收算法包括：

  • 标记-清除：标记所有可达对象，清除未被标记的对象。

  • 复制：将对象在堆内存中复制到另一部分，回收未复制的部分。

  • 整理：在复制算法的基础上，对内存进行整理，提高空间利用率。

并发收集器

并发收集器允许垃圾回收与应用程序并发执行，减少停顿时间。常见的并发收集器包括：

  • CMS（Concurrent Mark Sweep）：适用于响应时间敏感的场景。

  • G1（Garbage-First）：适用于大内存场景。

  • ZGC（Z Garbage Collector）：适用于小内存场景。

停顿时间控制策略

为了减少垃圾回收对应用程序的影响，JVM提供了多种停顿时间控制策略，如G1的并发标记阶段、CMS的并发清除阶段等。

性能调优

性能调优是优化JVM运行效率的关键。主要方法包括：

  • JVM参数配置：通过设置Xms、Xmx等参数调整堆内存大小。

  • 内存泄漏诊断：使用工具如JProfiler、VisualVM等诊断内存泄漏。

  • JIT编译优化：JVM在运行时对字节码进行编译优化，提高执行效率。

二、Spring Boot知识体系

自动配置

Spring Boot的自动配置是基于条件化的。它通过分析类路径下添加的jar依赖，自动配置项目所需的Bean。例如，如果项目中包含了Spring Data JPA的依赖，Spring Boot会自动配置一个EntityManagerFactory。

自定义Starter开发

自定义Starter可以方便地集成第三方库或Spring Boot功能。它通常包含以下步骤：

  1. 创建Maven项目：定义Starter的Maven坐标和依赖。

  2. 定义起步依赖：在pom.xml中定义起步依赖，包括项目所需的依赖。

  3. 编写自动配置类：根据需要编写自动配置类，用于配置Spring应用程序。

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：通过自动配置类集成第三方库。

  • 配置属性：通过配置文件集成第三方库。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了一系列端点，用于监控和管理应用程序。例如，/health端点可以检查应用程序的健康状态，/metrics端点可以收集应用程序的性能指标。

配置文件管理

Spring Boot支持多环境配置，通过配置文件实现。配置文件可以是application.yml或application.properties，它们可以根据不同的环境进行扩展，如application-dev.yml、application-prod.yml。

监控与日志

Spring Boot提供多种监控和日志解决方案。例如，可以使用Micrometer集成Prometheus、Grafana等监控工具，使用Logback或SLF4J配置日志框架。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin、Jaeger等。这可以通过自定义AutoConfigurationBean和生命周期扩展点来实现。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，如Spring WebFlux。它使用异步、非阻塞的方式处理请求，提高了系统的吞吐量和响应速度。

总结

本文详细介绍了JVM和Spring Boot的核心知识点，包括类加载机制、内存模型、垃圾回收、自动配置、多环境配置、监控与日志等。通过学习这些知识点，读者可以更好地理解Java虚拟机和Spring Boot的工作原理，为实际开发提供有力支持。

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