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

Java虚拟机(JVM)的类加载机制是Java语言动态性、扩展性和安全性得以实现的关键。它确保了运行时能够访问到正确的类信息,并能够管理类的生命周期。

类加载过程

  1. 加载:类加载的第一步是加载.class文件。在这个过程中,JVM会通过类加载器(Class Loader)来查找指定的类文件。加载过程涉及以下几个步骤:

    • 查找类文件:JVM首先在系统类路径(classpath)中查找类文件。
    • 字节码验证:验证字节码的正确性,确保类文件不会危害JVM的安全。
    • 准备:为类变量分配内存,并设置默认初始值。
    • 解析:将符号引用转换为直接引用,即将类、接口、字段和方法的符号引用替换为直接引用。
  2. 连接:连接阶段包括验证和准备两个步骤,但连接更侧重于将类信息链接到JVM的运行时环境中。

    • 验证:确保类在运行时不会对JVM构成安全威胁。
    • 准备:为类变量分配内存,并设置初始值。
    • 解析:将类、接口、字段和方法的符号引用转换为直接引用。
  3. 初始化:初始化是类加载过程的最后一步,它执行类的初始化代码。这些代码包括静态初始化器和构造器。

双亲委派模型

双亲委派模型是Java类加载机制的核心设计理念,它确保了类型安全。在这个模型中,类加载器首先尝试加载父类加载器已加载的类,如果父类加载器无法加载,则由子类加载器尝试加载。

自定义类加载器

自定义类加载器允许开发者实现特定的类加载逻辑,例如,加载特定来源的类文件,或实现模块化加载。

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,从而提高应用程序的可维护性和性能。模块是代码的单元,它包含一组相关的类和资源。

内存模型

JVM的内存模型包括运行时数据区和PC寄存器。运行时数据区分为以下部分:

  1. :存储所有类的实例和数组的对象。堆是JVM管理的最大内存区域。
  2. :存储局部变量和方法调用。每个线程都有自己的栈。
  3. 方法区:存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据。方法区是所有线程共享的。
  4. PC寄存器:存储当前线程所执行的字节码的地址。

内存溢出场景分析

内存溢出是指JVM的内存使用超过了其最大限制。常见的内存溢出场景包括:

  • 堆内存溢出:当创建过多的对象时,可能导致堆内存不足。
  • 栈内存溢出:当方法调用太深或递归调用太深时,可能导致栈内存不足。
  • 方法区溢出:当加载过多的类时,可能导致方法区内存不足。

垃圾回收

垃圾回收(GC)是JVM自动管理内存的一种机制。它通过回收不再使用的对象来释放内存,减少内存泄漏的风险。

  1. GC Roots可达性分析:GC Roots是垃圾回收的起点,包括静态变量引用的对象、常量池引用的对象、线程栈中的引用对象等。
  2. 分代收集理论:JVM将堆内存划分为年轻代、老年代和永久代。
  3. 引用类型:Java中的引用类型包括强引用、软引用、弱引用和虚引用,它们决定了对象的生命周期。
  4. 垃圾回收算法:包括标记-清除、复制、标记-整理和标记-扫描算法。
  5. 并发收集器:如CMS(Concurrent Mark Sweep)、G1(Garbage-First)和ZGC(Z Garbage Collector)等,它们在执行垃圾回收时尽量减少对应用程序的干扰。
  6. 停顿时间控制策略:如自适应大小、并发收集器等,旨在减少垃圾回收的停顿时间。
  7. 性能调优:通过JVM参数配置(如-Xms、-Xmx等)和内存泄漏诊断来优化性能。

二、Spring Boot知识体系

自动配置

Spring Boot通过自动配置功能,自动配置Spring应用程序所需的大部分Bean。自动配置的核心是@EnableAutoConfiguration注解。

@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解通过条件化配置(@Conditional)来实现自动配置。条件化配置允许根据特定的条件来决定是否应用某个配置。

条件化配置(@Conditional)

条件化配置允许开发者根据特定的条件来决定是否应用某个配置。例如,可以根据类路径中是否存在某个库来决定是否启用特定的配置。

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。开发者可以创建一个包含所有必需依赖的Maven或Gradle项目,并将其打包为Starter。

起步依赖

起步依赖(Starters)是Spring Boot提供的一种依赖管理机制,它将一组相关的库打包在一起。例如,spring-boot-starter-web提供了创建Web应用程序所需的所有依赖。

依赖管理机制(BOM文件)

BOM(Bill of Materials)文件用于定义项目依赖的版本信息,确保项目的一致性。它定义了项目中所有依赖的版本,避免版本冲突。

版本冲突解决

通过使用BOM文件和依赖管理工具(如Maven和Gradle)来解决版本冲突。依赖管理工具会自动解析依赖关系,并解决版本冲突。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式,如依赖注入、事件监听等。Spring Boot通过自动配置和条件化配置来简化第三方库的集成。

Actuator

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

健康检查端点

健康检查端点允许开发者检查应用程序的健康状态。例如,可以通过HTTP请求来检查应用程序是否正在运行,以及应用程序的各个组件是否正常工作。

度量指标收集

度量指标收集允许开发者收集应用程序的性能数据。这些数据可以用于监控应用程序的性能,并优化应用程序。

自定义Endpoint开发

自定义Endpoint允许开发者扩展Actuator的功能。开发者可以创建自定义端点,以收集和提供额外的监控信息。

配置文件管理

Spring Boot使用配置文件来管理应用程序的配置信息。配置文件可以是属性文件、YAML文件或XML文件。

多环境配置

Spring Boot支持多环境配置,通过配置文件名来区分不同的环境。例如,开发环境可以使用application-dev.properties,生产环境可以使用application-prod.properties。

配置加载优先级

Spring Boot根据配置文件名和配置文件路径来确定配置加载的优先级。例如,如果同时存在application.properties和application-dev.properties,则application-dev.properties的配置会覆盖application.properties的配置。

动态配置刷新

Spring Boot支持动态配置刷新,允许开发者实时更新配置信息。例如,可以通过HTTP请求来更新配置,而不需要重启应用程序。

监控与日志

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

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,并分析系统的性能瓶颈。

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,如Spring WebFlux。响应式编程可以帮助开发者构建高并发的应用程序,并提高应用程序的响应性。

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