JVM & Spring Boot 深度解析

📕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

在Java虚拟机（JVM）中，类加载机制是一个复杂而精细的过程，它确保了Java程序的类型安全。类加载器负责将类定义（.class文件）从文件系统或网络加载到JVM中，并进行链接和初始化。

1. 加载（Loading）：这一阶段涉及将类的.class文件读入JVM。JVM使用类加载器（如Bootstrap ClassLoader、Extension ClassLoader、App ClassLoader）来加载类。类加载器在加载类时，会检查类是否已被加载，以避免重复加载。

2. 验证（Verification）：验证阶段确保加载的类信息符合JVM规范，没有安全风险。这包括字节码验证、符号引用验证和接口验证等。

3. 准备（Preparation）：为类变量分配内存，并设置默认初始值。对于基本数据类型，初始值是0（对于布尔类型是false，对于字符类型是'\u0000'），而对于对象引用，初始值是null。

4. 解析（Resolution）：将符号引用转换为直接引用。符号引用是类、接口、字段和方法的引用，而直接引用是直接指向方法区的指针、偏移量或句柄。

5. 初始化（Initialization）：执行类的初始化代码，包括静态初始化器、静态变量赋值等。这个过程是类加载的最后一步，也是初始化类定义信息的关键阶段。

双亲委派模型

双亲委派模型是一种安全机制，它确保了Java核心库的稳定性和安全性。在双亲委派模型中，类加载器首先请求其父类加载器加载类，只有当父类加载器无法加载时，子类加载器才会尝试加载。

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URLClassLoader来加载网络上的类文件。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一种模块化系统，它允许将Java应用程序分解为多个模块，从而提高性能和安全性。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。

内存模型

JVM的内存模型包括以下几个运行时数据区：

• 堆（Heap）：所有对象实例和数组的存储区域，由垃圾回收器管理。
• 栈（Stack）：每个线程私有的内存区域，用于存储局部变量和方法参数。
• 方法区（Method Area）：存储类信息、常量、静态变量等。
• PC寄存器：用于指示当前线程所执行的指令。
• 本地方法栈（Native Method Stacks）：用于存储JVM使用的本地方法（如C/C++方法）的栈信息。
• 直接内存（Direct Memory）：用于存储NIO缓冲区的内存。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在以下场景：

• 创建过多的对象：频繁创建对象可能导致堆内存不足。
• 代码中存在内存泄漏：未被垃圾回收器回收的对象会持续占用内存。
• 堆内存不足：JVM分配的堆内存不足以存储新的对象。

垃圾回收

垃圾回收是JVM自动清理不再使用的对象的过程。垃圾回收器包括以下几个步骤：

• GC Roots可达性分析：从GC Roots开始，向上遍历可达性链，确定哪些对象是可达的。
• 标记-清除（Mark-Sweep）：标记所有可达对象，然后清除未被标记的对象。
• 复制（Copying）：将对象在内存中复制到另一块空间，然后清除原空间中的对象。
• 标记-整理（Mark-Compact）：标记可达对象，然后整理内存空间，合并空闲内存块。

性能调优

JVM性能调优包括以下几个方面：

• JVM参数配置：通过设置JVM参数来调整内存大小、垃圾回收策略等。
• 内存泄漏诊断：使用工具如VisualVM、MAT等来诊断内存泄漏。
• JIT编译优化：JIT编译器可以将字节码编译成本地机器码，提高程序运行效率。

二、Spring Boot知识体系

自动配置

Spring Boot的自动配置功能基于条件化配置，它可以根据类路径下存在的类和配置文件自动配置Spring应用程序。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解通过条件化配置实现自动配置。当应用程序启动时，Spring Boot会扫描类路径下的所有jar包，查找带有@EnableAutoConfiguration注解的类，并根据类路径下存在的类和配置文件自动配置Spring应用程序。

条件化配置（@Conditional）

条件化配置允许根据特定条件来启用或禁用某些配置。例如，可以使用@ConditionalOnClass、@ConditionalOnProperty等注解来实现条件化配置。

自定义Starter开发

自定义Starter可以帮助开发者将库的依赖和自动配置封装起来，方便其他开发者使用。开发自定义Starter时，需要创建一个Maven项目，并添加必要的依赖和自动配置。

起步依赖

起步依赖（Starters）是Spring Boot提供的一种依赖管理方式，可以帮助开发者快速开始项目。每个起步依赖都包含了一组相关的依赖，如Spring Boot Web Starter包含Spring Web、Tomcat等依赖。

依赖管理机制（BOM文件）

BOM（Bill of Materials）文件用于定义项目的依赖关系，确保不同项目的依赖版本一致。BOM文件可以包含Maven依赖、Gradle依赖等。

版本冲突解决

解决版本冲突的方法包括使用依赖继承、排除依赖等。例如，可以使用<dependencyManagement>标签来指定依赖的版本，或者使用<exclusions>标签来排除特定的依赖。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式，如通过Starter依赖、自定义配置类等。例如，可以通过添加Spring Boot Data JPA Starter来集成JPA。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了一系列端点，可以用来监控和管理Spring Boot应用程序。

健康检查端点

健康检查端点可以用来检查应用程序的健康状态。例如，可以使用@HealthIndicator注解来定义自定义的健康检查。

度量指标收集

Spring Boot Actuator可以收集应用程序的度量指标，如内存使用情况、线程信息等。这些度量指标可以通过HTTP端点、JMX等机制暴露。

自定义Endpoint开发

开发者可以自定义Endpoint来扩展Actuator的功能。自定义Endpoint需要实现Endpoint接口，并使用@Endpoint注解进行标注。

配置文件管理

Spring Boot支持多环境配置，通过application-{profile}.yml文件来实现。例如，可以通过application-dev.yml文件来配置开发环境的配置。

配置加载优先级

Spring Boot会根据配置文件的优先级来加载配置。例如，application.yml的配置优先级高于application-dev.yml的配置。

动态配置刷新

Spring Boot支持动态刷新配置，无需重启应用程序。例如，可以使用Spring Cloud Config来管理配置，并实现动态刷新。

监控与日志

Spring Boot提供了多种监控和日志解决方案，如Micrometer、Logback/SLF4J等。

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了解应用程序的请求流程和性能问题。

扩展机制

Spring Boot提供了多种扩展机制，如自定义AutoConfigurationBean、生命周期扩展点等。

响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，如Spring WebFlux等。响应式编程可以帮助开发者构建高并发、高可用性的应用程序。

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是如何相互关联和影响的。JVM作为Java程序的运行环境，为Spring Boot提供了底层支持，而Spring Boot则构建在JVM之上，提供了丰富的功能和便捷的开发体验。掌握这些知识，对于Java开发者来说至关重要。

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