JVM与Spring Boot核心机制

📕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

类加载机制

类加载机制是JVM的核心机制之一，其核心职责是将类信息从文件系统或网络中加载到JVM中，并为之创建相应的Class对象。类加载的过程可以分为以下几个阶段：

1. 加载：这个阶段涉及到类名的解析和类的字节码的读取。在加载过程中，JVM会检查这个类是否已经被加载过，以避免重复加载。加载类时，JVM会使用类加载器（ClassLoader）来读取类定义的字节码，并将它们存储在运行时数据区中。

2. 验证：验证阶段确保类在运行时满足JVM的要求，例如检查字节码是否符合规范，是否有安全违规。

3. 准备：为类变量分配内存，并设置默认值。对于基本数据类型，如int、float等，默认值是0；对于对象引用，默认值是null。

4. 解析：将类、接口、字段和方法的符号引用转换为直接引用。

5. 初始化：初始化阶段为类的静态变量赋予正确的初始值，执行静态初始化器和静态代码块。

双亲委派模型

双亲委派模型是一种类加载器的委派策略。在Java中，除了顶层的启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）之外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。这种模型要求在加载类时，JVM会首先委派给父类加载器去加载，只有当父类加载器无法加载该类时，才由子类加载器自己加载。这种设计确保了类型安全，并避免了类的重复加载。

自定义类加载器

自定义类加载器允许开发者根据特定的需求加载类。例如，可以实现一个类加载器来从特定的文件系统目录加载类，或者从网络加载。自定义类加载器可以扩展JVM的类加载机制，实现更加复杂的类加载逻辑。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的模块化系统，它允许将应用程序拆分为多个模块，每个模块包含一组类和资源。模块化系统通过模块描述符（module-info.java）来定义模块的依赖关系，模块的隔离性、版本控制以及服务的暴露和发现。

内存模型

JVM的内存模型定义了JVM内部内存的布局，它包括以下几个区域：

1. 运行时数据区：包括方法区、堆、栈、程序计数器（PC寄存器）和本地方法栈。

   • 方法区：存储已经被加载的类信息、常量、静态变量等。
   • 堆：存储对象实例和数组的元素。
   • 栈：存储局部变量和方法调用栈。
   • PC寄存器：用于存储当前线程正在执行的指令的地址。
   • 本地方法栈：用于支持JVM执行非Java代码，如C/C++代码。

2. PC寄存器：每个线程都有自己的PC寄存器，用于指示下一条要执行的指令的地址。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在程序尝试分配的内存超过了JVM能够分配的最大内存时。以下是一些常见的内存溢出场景：

1. 创建大量对象：在堆内存中创建大量对象会导致内存不足，尤其是在对象生命周期长且无及时回收的情况下。

2. 循环引用：循环引用是指对象之间存在相互引用，导致垃圾回收器无法回收这些对象。

3. 静态变量过大：静态变量过大可能导致内存不足，特别是在静态变量包含大量数据时。

垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动回收不再使用的内存资源的过程。垃圾回收算法主要有以下几种：

1. 标记-清除：标记所有可达对象，然后清除未被标记的对象。

2. 复制算法：将堆分为两个大小相等的半区，每次只使用一个半区。当该半区内存快被耗尽时，将存活的对象复制到另一个半区，并清空原来的半区。

3. 标记-整理：类似于标记-清除，但在回收后对堆进行整理，使所有的存活对象都聚集在堆的一端，以便于压缩。

停顿时间控制策略

为了降低垃圾回收的停顿时间，JVM提供了多种停顿时间控制策略，如CMS（Concurrent Mark Sweep）和G1（Garbage-First）。

性能调优

性能调优是提高JVM性能的关键。可以通过调整JVM参数（如-Xms、-Xmx等）和监控内存泄漏来实现。

JIT编译优化

JIT（Just-In-Time）编译器是JVM的一个关键特性，它可以在运行时对热点代码进行编译优化，从而提高程序执行效率。

Spring Boot知识体系

自动配置

Spring Boot通过自动配置机制，自动配置常用的Spring框架和第三方库。这个机制基于条件化配置，它会根据类路径下是否有特定的类或者是否有特定的属性存在，自动配置相应的Bean。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解通过Spring的类路径扫描机制，自动配置所需依赖的Bean。这个机制的核心是Spring Factories机制，它会扫描类路径下的所有jar包，寻找带有@ConditionalOnClass、@ConditionalOnBean等注解的类，并自动注册相应的Bean。

条件化配置（@Conditional）

条件化配置允许开发者根据不同的条件动态地配置Bean。例如，可以通过@ConditionalOnMissingBean来确保在类路径下没有某个Bean时才创建一个新的Bean。

自定义Starter开发

自定义Starter可以帮助开发者快速集成第三方库。开发者可以将常用的依赖和配置整合到一个Starter中，简化项目的依赖管理。

起步依赖

起步依赖（Starters）是一组预定义的依赖项，它们简化了项目的依赖管理。Spring Boot提供了许多起步依赖，覆盖了Web开发、数据库访问、消息传递等多个领域。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM（Bill of Materials）文件用于管理项目的依赖版本，解决版本冲突问题。BOM文件定义了项目中所有依赖的版本，确保在所有构建环境中依赖版本的一致性。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式，如Starter POM、Starter Gradle插件等。这些模式简化了项目的依赖配置，使得集成第三方库变得更加容易。

Actuator

Actuator是Spring Boot的监控和管理工具，它提供健康检查、度量指标收集等功能。Actuator可以帮助开发者实时监控应用程序的状态和性能。

自定义Endpoint开发

自定义Endpoint可以帮助开发者扩展Actuator的功能。通过实现特定的Endpoint，开发者可以提供自定义的监控数据或执行自定义的操作。

配置文件管理

Spring Boot支持多环境配置，如application-{profile}.yml。通过指定不同的配置文件，可以针对不同的环境（开发、测试、生产）进行配置。

配置加载优先级

Spring Boot会根据配置文件名称的优先级，加载相应的配置。通常，配置文件会根据环境名称进行命名，如application-dev.yml、application-test.yml、application-prod.yml。

动态配置刷新

Spring Boot支持动态刷新配置，如使用Spring Cloud Config。这允许在应用程序运行时更新配置，而无需重新启动应用程序。

监控与日志

Spring Boot集成Micrometer和Logback/SLF4J等日志框架，提供监控和日志功能。这些工具可以帮助开发者实时监控应用程序的状态和性能，并记录应用程序的运行日志。

分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin和Jaeger。分布式链路追踪可以帮助开发者追踪分布式系统的请求路径，诊断系统故障。

扩展机制

Spring Boot提供自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点，允许开发者扩展框架功能。例如，可以通过实现Condition类来控制AutoConfiguration的加载。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，如Spring WebFlux。响应式编程允许异步地处理事件，提高应用程序的性能和可伸缩性。

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