JVM与Spring Boot核心解析

📕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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一、JVM知识体系

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，它负责将Java源代码编译成的字节码加载到JVM中，并确保每个类的唯一性。类加载器负责查找和加载类文件，类加载过程涉及多个组件和步骤。

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：

1. 加载：类加载器通过类名找到对应的类文件，将其读入内存，并生成一个Class对象。
2. 验证：确保加载的类信息符合JVM规范，包括字节码的完整性和正确性。
3. 准备：为类变量分配内存，并设置默认初始值。
4. 解析：将符号引用转换为直接引用，即把类、接口、字段和方法的符号引用替换为直接引用。
5. 初始化：执行类构造器 ()方法，初始化类变量和静态变量。

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。当一个类加载器请求加载一个类时，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任务时，才自己去加载。

自定义类加载器

自定义类加载器允许开发者根据需要加载特定的类或资源。通过继承ClassLoader类或实现ClassLoader接口，可以创建自定义的类加载器，并重写findClass方法来指定类的加载逻辑。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一种模块化系统，它通过模块来组织代码，提高了系统性能和安全性。模块化系统将应用程序分解成多个模块，每个模块包含一组类和资源，模块之间通过模块间依赖来关联。

内存模型

JVM的内存模型包括运行时数据区和PC寄存器：

1. 运行时数据区：
   • 堆：存储几乎所有的Java对象实例，包括类实例、数组等。
   • 栈：存储局部变量和方法调用的上下文信息，每个线程都有自己的栈。
   • 方法区：存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据。
   • PC寄存器：用于存储当前线程所执行的字节码的偏移量。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在堆内存不足时，可能导致程序崩溃。常见的场景包括：

• 创建大量对象，导致堆内存不足。
• 长期占用大量内存的对象无法被垃圾回收。
• 内存泄漏，即程序中存在无法释放的内存。

垃圾回收

垃圾回收是JVM自动管理内存的一种机制，它通过回收不再使用的对象来释放内存。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：将所有对象复制到另一个区域，并清空原区域。
• 整理：将所有存活对象移动到内存的一端，清理剩余空间。

并发收集器

JVM提供了多种并发收集器，如CMS、G1和ZGC：

• CMS（Concurrent Mark Sweep）：一种并发标记清除收集器，旨在减少停顿时间。
• G1（Garbage-First）：一种并发标记整理收集器，适用于大内存场景。
• ZGC（Z Garbage Collector）：一种低延迟的垃圾回收器。

停顿时间控制策略

JVM提供了多种停顿时间控制策略，如自适应策略和最大停顿时间策略：

• 自适应策略：根据历史停顿时间动态调整停顿时间目标。
• 最大停顿时间策略：设置最大停顿时间，JVM会尽量保证不超过该时间。

性能调优

JVM性能调优主要包括JVM参数配置和内存泄漏诊断：

• JVM参数配置：通过调整JVM启动参数（如-Xms、-Xmx等）来优化性能。
• 内存泄漏诊断：使用工具（如JProfiler、MAT等）检测和修复内存泄漏。

JIT编译优化

JIT（Just-In-Time）编译器可以将字节码编译成本地机器码，提高程序执行效率。JIT编译优化包括：

• 编译策略：如即时编译（JIT）和动态编译（Dynamically Compile）。
• 优化技术：如内联、循环展开、指令重排等。

二、Spring Boot知识体系

自动配置

Spring Boot的自动配置功能能够根据项目依赖自动配置Spring应用程序。通过@EnableAutoConfiguration注解，Spring Boot会自动配置项目中使用的所有依赖。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解使用了Spring的类路径扫描功能，根据添加的依赖自动配置相应的Bean。Spring Boot会扫描类路径下的所有jar包，并查找带有@Configuration注解的类，然后根据这些类中的@Bean注解自动配置相应的Bean。

条件化配置（@Conditional）

条件化配置允许开发者根据特定条件启用或禁用配置。@Conditional注解及其子注解可以实现这一功能，例如@ConditionalOnClass、@ConditionalOnMissingBean等。

自定义Starter开发

通过创建一个Maven项目，并添加Spring Boot的依赖和自定义配置，可以开发自定义的Starter。自定义Starter需要遵循以下步骤：

1. 创建Maven项目，并添加Spring Boot依赖。
2. 添加自定义配置类，并使用@Configuration注解。
3. 添加自定义Bean，并使用@Bean注解。
4. 创建spring-boot-starter模块，并添加自定义Starter的依赖。

起步依赖

起步依赖是Spring Boot提供的预配置的依赖管理方式，可以简化依赖管理。起步依赖包含了一组预定义的依赖，这些依赖通常用于实现特定的功能。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM（Bill of Materials）文件定义了项目中的所有依赖及其版本，确保项目在不同环境中的一致性。BOM文件使用Maven的<dependencyManagement>标签来定义依赖关系。

版本冲突解决

使用Maven的依赖树和依赖冲突解决机制可以解决版本冲突。Maven会根据依赖关系自动选择合适的版本，并解决冲突。

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、配置文件等。例如，集成Redis时，可以使用Spring Boot的自动配置功能，并配置Redis连接信息。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了健康检查、度量指标收集等功能，方便监控和运维。Actuator可以通过HTTP端点提供应用程序的运行时信息。

健康检查端点

健康检查端点可以用于检查应用程序的健康状态，如/actuator/health。Spring Boot提供了多种健康指标，如内存使用情况、线程信息等。

度量指标收集

Spring Boot Actuator支持多种度量指标收集，如内存使用情况、线程信息等。度量指标可以通过HTTP端点或JMX接口获取。

自定义Endpoint开发

通过实现Endpoint接口，可以自定义健康检查端点。自定义Endpoint可以提供更详细的运行时信息。

配置文件管理

Spring Boot支持多环境配置，如application-dev.yml和application-prod.yml。配置文件加载优先级可以通过配置文件路径的顺序来控制。

动态配置刷新

Spring Cloud Config可以用于动态刷新配置。动态配置刷新允许在应用程序运行时更改配置，而无需重新启动应用程序。

监控与日志

Spring Boot Actuator提供了监控功能，同时支持集成Logback/SLF4J等日志框架。监控功能可以用于收集应用程序的运行时信息，并生成报告。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin、Jaeger等。分布式链路追踪可以帮助开发者追踪跨多个服务调用的请求。

扩展机制

Spring Boot提供了多种扩展机制，如自定义AutoConfiguration、Bean生命周期扩展点等。扩展机制允许开发者根据需要扩展Spring Boot的功能。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，如Spring WebFlux。响应式编程可以帮助开发者构建高性能、可扩展的Web应用程序。

通过以上对JVM和Spring Boot的深度解析，我们可以更好地理解这两个技术栈的核心概念和实践应用。在实际开发中，结合这两个技术栈，可以构建高性能、可扩展的Java应用程序。

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