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。

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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. 堆：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. 栈：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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