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。

Java程序员廖志伟

🌾阅读前,快速浏览目录和章节概览可帮助了解文章结构、内容和作者的重点。了解自己希望从中获得什么样的知识或经验是非常重要的。建议在阅读时做笔记、思考问题、自我提问,以加深理解和吸收知识。阅读结束后,反思和总结所学内容,并尝试应用到现实中,有助于深化理解和应用知识。与朋友或同事分享所读内容,讨论细节并获得反馈,也有助于加深对知识的理解和吸收。💡在这个美好的时刻,笔者不再啰嗦废话,现在毫不拖延地进入文章所要讨论的主题。接下来,我将为大家呈现正文内容。

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一、JVM知识体系

类加载机制

在JVM中,类加载机制是一个复杂的系统,它负责在运行时将类信息加载到JVM中。这个过程不仅包括将类的字节码加载到内存中,还包括对类的解析、验证、准备和初始化。

  • 加载:类加载过程的第一步是加载,JVM会查找并读取类定义的二进制数据,这些数据通常存储在.class文件中。加载过程涉及到类的字节码从文件系统到内存的转换。
  • 连接:在加载完成后,JVM会进行连接操作。连接包括验证(确保类信息符合JVM规范)、准备(为类变量分配内存并设置默认值)和解析(将符号引用转换为直接引用)。
  • 初始化:初始化是类加载的最后一步,它负责执行类构造器(<clinit>()方法),为静态变量赋值,初始化静态变量之前依赖的其他类。
双亲委派模型

双亲委派模型是JVM类加载机制的核心,它要求子类加载器首先委派给父类加载器来加载类。这种模型的目的是防止类的重复加载,同时保护程序安全。

  • 类加载器:JVM中的类加载器主要包括启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)、扩展类加载器(Extension ClassLoader)和应用类加载器(Application ClassLoader)。
  • 委托机制:当子类加载器请求加载一个类时,它会首先请求其父类加载器加载该类。只有当父类加载器无法完成类加载时,子类加载器才会尝试从自己的资源路径中加载该类。
自定义类加载器

在需要特殊类加载逻辑的情况下,如实现模块化系统或插件化应用时,开发者可以创建自定义类加载器。

  • 继承抽象类:自定义类加载器通常继承java.lang.ClassLoader抽象类。
  • 重写方法:自定义类加载器需要重写findClass()方法,以实现自定义的类查找逻辑。
模块化系统(JPMS)

Java Platform Module System(JPMS)是Java 9引入的模块系统,它通过模块化的方式组织代码,提供更好的代码隔离、版本控制和依赖管理。

  • 模块定义:每个模块通过一个描述文件(module-info.java)来定义模块的名称、公开的包、依赖和其他属性。
  • 模块解析:JVM在运行时根据模块依赖关系来解析模块,并确保它们之间的兼容性。
内存模型

JVM的内存模型是一个复杂的多层次结构,它由多个区域组成,每个区域都有其特定的用途。

  • 运行时数据区:运行时数据区包括堆、栈、方法区和PC寄存器。
    • :堆是所有类实例和数组的存储区域,它由JVM自动管理。
    • :栈是线程私有的内存区域,用于存储局部变量和方法调用。
    • 方法区:方法区存储类信息、常量、静态变量等。
    • PC寄存器:PC寄存器存储指向下一条指令的指针。
内存溢出场景分析

内存溢出是指程序在运行过程中,由于内存空间不足而无法继续分配内存的情况。

  • 堆空间溢出:当创建的对象数量过多或对象体积过大时,可能会发生堆空间溢出。
  • 栈空间溢出:当方法调用深度过大时,可能会发生栈空间溢出。
直接内存管理

直接内存管理是指JVM直接在本地内存中分配内存,而不是在堆中分配。

  • 本地内存:本地内存是JVM之外的系统内存,它不受垃圾回收器的管理。
  • 使用场景:直接内存管理通常用于处理大型数据集或需要高性能的场景。
垃圾回收

垃圾回收是JVM自动清理不再使用的对象以回收内存的过程。

  • GC Roots:垃圾回收器通过分析GC Roots来确定哪些对象是可以回收的。GC Roots通常包括栈帧中的变量引用、静态变量、方法区等。
  • 分代收集:JVM将内存分为几代(如Young、Old),不同的代有不同的回收策略。例如,Young代通常采用复制算法,而Old代则采用标记-清除或标记-整理算法。

二、Spring Boot知识体系

自动配置

Spring Boot的自动配置功能是基于条件化的配置实现的。它通过分析添加的依赖和类路径中的类,自动配置Spring应用程序。

  • 条件化配置@Conditional注解允许根据特定条件来启用或禁用配置。例如,如果项目中存在某个特定的类,则自动配置将启用。
  • 自动配置类:Spring Boot定义了一系列自动配置类,它们根据添加的依赖自动配置应用程序。
@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解是Spring Boot自动配置的核心。当应用程序启动时,Spring Boot会扫描类路径中的所有自动配置类,并根据添加的依赖和类路径中的类来决定是否启用这些配置。

  • 自动配置类:自动配置类通常包含一系列的@Bean定义,用于创建和配置Spring Bean。
  • 依赖检查:Spring Boot使用@ConditionalOnClass@ConditionalOnBean等注解来检查类路径中的类和Bean。
条件化配置(@Conditional

@Conditional注解允许根据特定条件来启用或禁用配置。

  • 条件注解:Spring Boot提供了一系列条件注解,如@ConditionalOnClass@ConditionalOnBean@ConditionalOnMissingBean等。
  • 自定义条件:开发者可以自定义条件注解,以实现更复杂的配置逻辑。
自定义Starter开发

自定义Starter是Spring Boot生态中的一种常见实践,它允许开发者封装依赖和自动配置。

  • 创建Starter:开发者需要创建一个Maven项目,并将其打包为JAR文件。
  • 添加依赖:在Starter中添加所需的依赖和自动配置类。
起步依赖

起步依赖是一组预打包的Maven依赖,它们简化了项目的构建过程。

  • 依赖管理:起步依赖使用Maven的BOM(Bill of Materials)文件来统一管理项目依赖的版本。
  • 版本冲突解决:Maven通过依赖传递和版本仲裁机制来解决依赖版本冲突。
第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式,包括依赖注入、数据访问等。

  • 依赖注入:Spring Boot使用Spring Framework的依赖注入机制来管理Bean。
  • 数据访问:Spring Boot支持多种数据访问技术,如JPA、MyBatis等。
Actuator

Spring Boot Actuator提供了一系列端点,用于监控和管理应用。

  • 端点:Actuator提供了一系列端点,如/health/metrics/info等。
  • 监控:Actuator允许收集应用的各种度量指标,如内存使用情况、线程数等。
健康检查端点

通过@HealthIndicator注解可以定义健康检查端点。

  • 健康指标@HealthIndicator注解允许开发者定义自己的健康指标。
  • 组合健康指标:Spring Boot允许将多个健康指标组合成一个复合健康指标。
度量指标收集

Actuator允许收集应用的各种度量指标。

  • 度量指标:度量指标包括内存使用情况、线程数、HTTP请求统计等。
  • 指标收集:Spring Boot与Micrometer集成,提供监控和日志支持。
自定义Endpoint开发

开发者可以自定义Endpoint来扩展Actuator的功能。

  • 自定义端点:自定义Endpoint可以通过实现Endpoint接口来定义。
  • 端点注册:自定义端点需要在Spring Boot应用程序中注册。
配置文件管理

Spring Boot支持多环境配置,如application-{profile}.yml

  • 配置文件:Spring Boot支持多种配置文件格式,如YAML、Properties等。
  • 配置文件优先级:Spring Boot按照特定的优先级加载配置文件。
配置加载优先级

Spring Boot按照特定的优先级加载配置文件。

  • 配置文件加载顺序:Spring Boot首先加载application.yml,然后根据配置文件优先级加载其他配置文件。
  • 配置文件优先级:配置文件的优先级取决于它们在类路径中的位置。
动态配置刷新

Spring Boot支持动态刷新配置文件。

  • 动态配置:动态配置允许在运行时修改配置文件。
  • 刷新机制:Spring Boot使用@RefreshScope注解来实现动态配置刷新。
监控与日志

Spring Boot与Micrometer集成,提供监控和日志支持。

  • 监控:Micrometer支持多种监控工具,如Prometheus、Grafana等。
  • 日志:Spring Boot支持使用Logback和SLF4J进行日志配置。
Logback/SLF4J配置

Spring Boot支持使用Logback和SLF4J进行日志配置。

  • Logback:Logback是一个开源的日志框架,它提供了灵活的日志配置选项。
  • SLF4J:SLF4J是一个日志门面,它允许应用程序使用不同的日志框架。
分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪,如Zipkin。

  • 链路追踪:链路追踪是一种用于追踪应用程序中请求的生命周期的技术。
  • Zipkin:Zipkin是一个开源的分布式追踪系统,它可以帮助开发者追踪应用程序中的请求。
扩展机制

Spring Boot提供了多种机制来扩展其功能,包括自定义AutoConfigurationBean和生命周期扩展点。

  • 自定义AutoConfigurationBean:自定义AutoConfigurationBean允许开发者自定义自动配置的逻辑。
  • 生命周期扩展点:Spring Boot的生命周期扩展点允许开发者自定义Spring Boot应用程序的生命周期。
响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程,允许开发者使用Reactor、Project Reactor等库。

  • 响应式编程:响应式编程是一种编程范式,它允许异步处理事件。
  • 响应式库:Reactor和Project Reactor是两个流行的响应式编程库。

通过以上对JVM和Spring Boot核心知识点的梳理,我们可以看到这两个技术是如何相互关联并共同支撑起Java应用的开发的。JVM负责底层的运行时环境,而Spring Boot则在上层提供了自动配置、依赖管理和响应式编程等高级功能。理解这些知识点不仅有助于深入掌握Java技术栈,还能够为日后的项目开发打下坚实的基础。

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