JVM与Spring Boot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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JVM知识体系详解

类加载机制

Java虚拟机（JVM）的类加载机制是一个复杂且精细的过程，它确保了Java代码在运行时能够正确地加载、验证、准备和初始化类。这个过程涉及到几个关键组件和步骤：

1. 类加载器：JVM中的类加载器负责加载类文件。主要的类加载器包括：

   • Bootstrap ClassLoader：负责加载核心类库，如rt.jar。
   • Extension ClassLoader：负责加载Java的扩展库。
   • Application ClassLoader：负责加载应用程序的类路径（classpath）中的类。
   • 用户自定义类加载器：可以继承ClassLoader或实现ClassLoadable接口。

2. 类加载过程：类加载过程包括以下三个阶段：

   • 加载：类加载器将类文件读入内存，并生成一个Class对象。
   • 连接：这一阶段分为验证、准备和解析三个子阶段。
     • 验证：确保类文件符合JVM规范，没有安全风险。
     • 准备：为类变量分配内存并设置默认初始值。
     • 解析：将符号引用替换为直接引用。
   • 初始化：执行类构造器<clinit>()，初始化类变量。

双亲委派模型

双亲委派模型是Java类加载机制中的一个核心设计原则。在这种模型下，子类加载器首先委托父类加载器来加载类，如果父类加载器无法加载，则子类加载器自己尝试加载。这种模型确保了类的一致性和安全性。

自定义类加载器

开发者可以通过继承ClassLoader类或实现ClassLoadable接口来创建自定义类加载器。自定义类加载器可以用来加载特定的类文件，例如从网络或数据库中加载类。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一个模块化系统，它通过模块来组织代码，以减少依赖和增强安全性。模块定义了其依赖关系，并使用模块描述符（module-info.java）来声明模块的版本、需要和提供的模块。

内存模型

JVM的内存模型是JVM运行时的核心，它定义了JVM中内存的布局和访问方式。

1. 运行时数据区：
   • 堆：几乎所有的对象实例和数组都在这里分配内存。
   • 栈：每个线程都有自己的栈，用于存储局部变量和方法调用。
   • 方法区：存储类信息、常量和静态变量。
   • PC寄存器：存储当前线程所执行的指令的地址。
   • 程序计数器：用于存储JVM指令的偏移量。

内存溢出场景分析

内存溢出可能发生在以下场景：

• 堆溢出：当创建的对象过多，超过JVM的堆内存大小时，就会发生堆溢出。
• 栈溢出：当方法调用栈过深时，就会发生栈溢出。
• 方法区溢出：当类定义过多或类定义过大时，就会发生方法区溢出。

垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动回收不再使用的对象所占用的内存的过程。垃圾回收算法包括：

• 标记-清除：标记所有可达对象，然后清除未被标记的对象。
• 复制算法：将对象在内存中分成两块，每次只使用其中一块，当这一块满了，就将对象复制到另一块。
• 标记-整理：标记可达对象，然后移动未被标记的对象，并压缩内存空间。

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G1（Garbage-First）垃圾回收器，它通过预测停顿时间来优化垃圾回收过程。

性能调优

JVM性能调优可以通过以下方面进行：

• JVM参数配置：通过调整堆大小、垃圾回收策略等参数来优化性能。
• 内存泄漏诊断：使用工具如MAT（Memory Analyzer Tool）来诊断内存泄漏。
• JIT编译优化：JVM在运行时将字节码编译成本地机器码，以提高性能。

Spring Boot知识体系详解

自动配置

Spring Boot的自动配置功能允许开发者通过添加特定的依赖来启用自动配置。Spring Boot会根据添加的依赖自动配置相应的Bean，例如当添加了Spring Data JPA依赖时，Spring Boot会自动配置数据源、事务管理器等。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解是Spring Boot自动配置的核心。它通过条件化配置和类路径扫描来启用自动配置。条件化配置允许在满足特定条件时才应用配置，例如当类路径中存在特定库时。

条件化配置（@Conditional）

@Conditional注解允许在配置条件满足时才应用配置。Spring Boot提供了多种条件注解，如@ConditionalOnClass、@ConditionalOnBean等。

自定义Starter开发

自定义Starter可以帮助开发者将库或框架集成到Spring Boot项目中。开发者可以通过创建一个包含Maven坐标和自动配置类的jar包来创建自定义Starter。

起步依赖

起步依赖是Spring Boot提供的依赖管理机制，它简化了依赖的添加和版本管理。起步依赖通常包含了一组相关的库，开发者只需添加起步依赖即可获得所需的所有依赖。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM（Bill of Materials）文件是用于统一管理依赖版本的文件。它可以帮助解决版本冲突问题，确保整个应用程序使用一致的依赖版本。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式，包括SPI（Service Provider Interface）和适配器模式。SPI允许第三方库通过接口与Spring Boot集成，而适配器模式则允许使用不同的实现方式。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了一系列端点，用于监控和管理应用程序。这些端点包括健康检查、度量指标收集等。

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。Spring Boot提供了多种健康指标，如数据库连接、缓存等。

度量指标收集

Spring Boot Actuator支持度量指标收集，可以用于性能监控。度量指标可以是简单的计数器，也可以是更复杂的统计信息。

自定义Endpoint开发

开发者可以通过实现Endpoint接口来创建自定义端点。自定义端点可以提供额外的监控和管理功能。

配置文件管理

Spring Boot支持多环境配置，通过配置文件application-{profile}.yml来实现。不同的配置文件可以用于不同的环境，如开发、测试和生产。

配置加载优先级

Spring Boot在加载配置时，会按照配置文件的位置和优先级进行加载。通常，应用程序的application.yml文件具有最高优先级。

动态配置刷新

Spring Boot支持动态配置刷新，可以在不重启应用程序的情况下更新配置。这可以通过Spring Cloud Config Server实现。

监控与日志

Spring Boot提供了多种监控和日志配置选项，如Micrometer和Logback/SLF4J。这些选项可以帮助开发者更好地监控和管理应用程序。

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了解应用程序的请求路径和性能。

扩展机制

Spring Boot提供了多种扩展机制，如自定义AutoConfigurationBean和生命周期扩展点。这些扩展机制允许开发者扩展Spring Boot的功能。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，可以使用Spring WebFlux等框架来开发响应式应用程序。响应式编程允许异步处理请求，提高应用程序的性能和可伸缩性。

通过以上对JVM和Spring Boot知识体系的详细解析，我们可以看到这两个技术领域是如何相互关联和影响的。JVM作为Java语言的运行环境，为Spring Boot提供了基础，而Spring Boot则在JVM的基础上提供了丰富的框架特性，使得Java开发者可以更加高效地开发应用程序。

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