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。

Java程序员廖志伟

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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。
    • :存储对象实例和数组的元素。
    • :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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Java程序员廖志伟

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