JVM & Spring Boot 核心知识

📕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）、《解密程序员的思维密码——沟通、演讲、思考的实践》作者、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。

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💡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。

JVM知识体系

类加载机制

类加载机制是JVM的核心机制之一，其设计遵循了“只加载一次，使用多次”的原则。在类加载过程中，JVM会通过类加载器将类文件（.class文件）转换为Class对象，然后存储在方法区中。

• 加载：在加载阶段，类加载器会从文件系统、网络或其他来源获取字节码文件。在Java 9之前，JVM使用两种类型的类加载器：启动类加载器和扩展类加载器。Java 9之后，启动类加载器改为使用Bootstrap类加载器，负责加载JVM核心库。扩展类加载器负责加载Java类库。自定义类加载器则可以在这些类加载器的基础上进行扩展。
• 验证：验证阶段确保加载的类文件符合JVM规范，包括字节码的合法性、符号引用的准确性等。这个过程涉及到类文件结构的检查、字节码的验证、符号引用到直接引用的转换等。
• 准备：准备阶段为类变量分配内存，并设置默认初始值。对于基本数据类型，其默认值是0、false或null。对于对象类型的类变量，默认值是null。
• 解析：解析阶段将类、接口、字段和方法的符号引用转换为直接引用。直接引用指向运行时数据区中的内存地址。

双亲委派模型

双亲委派模型是一种类加载策略，它要求类加载器首先委托其父类加载器进行加载，只有当父类加载器无法加载时，才由子类加载器加载。这种模型确保了类加载器之间的层次关系，防止了类加载器之间的冲突。

• 类加载器层次结构：类加载器层次结构通常包括启动类加载器、扩展类加载器、应用程序类加载器和用户自定义类加载器。
• 委托机制：当子类加载器需要加载一个类时，它会首先请求其父类加载器加载该类。如果父类加载器无法加载，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进行类加载。这可以通过继承ClassLoader类或实现ClassLoader接口来实现。

• 继承ClassLoader：通过继承ClassLoader类，可以重写findClass方法来指定自定义的类加载逻辑。
• 实现ClassLoader接口：通过实现ClassLoader接口，可以完全控制类加载过程，包括类文件的获取、解析和加载。

模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一个模块化系统，它通过将应用程序分解为更小的模块来提高可维护性和性能。

• 模块定义：每个模块都有一个模块描述符（module-info.java），其中定义了模块的名称、依赖关系和所提供的API。
• 模块解析：模块解析器根据模块描述符中的依赖关系来确定模块之间的依赖关系。
• 模块加载：模块加载器根据模块描述符中的信息将模块加载到JVM中。

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：运行时数据区是JVM在运行时用于存储数据的地方，包括堆、栈、方法区和PC寄存器。
  • 堆：堆是所有线程共享的内存区域，用于存放对象实例和数组的创建。堆空间大小可以通过JVM启动参数进行调整。
  • 栈：栈是线程私有的内存区域，用于存储局部变量和方法调用栈。栈空间大小通常较小，且固定。
  • 方法区：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。方法区的大小通常较大，且固定。
  • PC寄存器：PC寄存器用于存储指向下一条指令的地址。每个线程都有一个独立的PC寄存器。

内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在堆空间不足时。常见的内存溢出场景包括：

• 创建大量对象：当应用程序创建大量对象时，可能会导致堆空间不足。
• 长时间占用内存的静态变量：长时间占用内存的静态变量可能会导致内存泄漏。
• 循环引用：循环引用会导致垃圾回收器无法回收相关对象，从而占用内存。

垃圾回收

垃圾回收（GC）是JVM自动内存管理的一部分，它通过回收不再使用的对象来释放内存。

• GC Roots可达性分析：GC Roots可达性分析是垃圾回收的基本算法。GC Roots是一组对象，它们是垃圾回收器的起点。通过从GC Roots开始，向上搜索可达的对象，来判断对象是否存活。
• 分代收集理论：JVM将堆内存分为新生代（Young）和老年代（Old）。新生代用于存放新创建的对象，而老年代用于存放长期存活的对象。
• 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。强引用是最常见的引用类型，它阻止对象被垃圾回收器回收。软引用和弱引用允许对象在内存不足时被回收。虚引用是用于回收对象的唯一引用。
• 垃圾回收算法：垃圾回收算法包括标记-清除、复制、整理算法等。标记-清除算法是最常用的算法，它通过标记可达对象，然后清除不可达对象来回收内存。
• 并发收集器：并发收集器允许垃圾回收器与应用程序同时运行，从而减少应用程序的停顿时间。常见的并发收集器包括CMS（Concurrent Mark Sweep）、G1（Garbage-First）、ZGC（Z Garbage Collector）。
• 停顿时间控制策略：通过调整JVM参数来控制GC停顿时间，例如使用-XX:MaxGCPauseMillis参数来设置最大停顿时间。
• 性能调优：通过分析GC日志和调整JVM参数来优化GC性能。例如，可以通过调整新生代和老年代的比例来优化GC性能。
• 内存泄漏诊断：通过工具检测内存泄漏，并采取措施修复。例如，可以使用MAT（Memory Analyzer Tool）来检测内存泄漏。

JIT编译优化

JIT编译器是JVM的一个重要组成部分，它可以将字节码即时编译成本地机器码，以提高程序执行效率。

• 编译过程：JIT编译器在程序运行时对热点代码进行编译，并将其转换为本地机器码。热点代码是指频繁执行的代码。
• 优化策略：JIT编译器使用多种优化策略来提高程序执行效率，例如循环优化、内联优化、逃逸分析等。

Spring Boot知识体系

自动配置

Spring Boot的自动配置是它最核心的特性之一，它通过自动配置来简化应用程序的配置过程。

• @EnableAutoConfiguration原理：@EnableAutoConfiguration注解通过类路径扫描和自动配置报告来推断出需要添加哪些Bean。它首先扫描启动类路径下的所有jar包，然后根据类路径中的类和Bean来推测应用需要什么Bean，并自动配置它们。
• 条件化配置（@Conditional）：@Conditional注解允许在满足特定条件时才进行自动配置。例如，可以使用@ConditionalOnClass注解来指定只有当类路径下存在某个类时才进行自动配置。
• 自定义Starter开发：自定义Starter可以简化项目的依赖管理。开发者可以通过创建一个jar包，包含自动配置类和依赖关系，来简化项目的依赖管理。

起步依赖

Spring Boot提供了起步依赖，它是一组预定义的依赖，用于简化项目的依赖管理。

• 依赖管理机制：Spring Boot使用Maven或Gradle的依赖管理机制。Maven使用pom.xml文件来定义项目依赖，而Gradle使用build.gradle文件。
• BOM文件：BOM（Bill of Materials）文件用于定义项目中的所有依赖关系，以避免版本冲突。BOM文件通常由第三方库提供，以确保所有依赖关系都使用相同的版本。
• 版本冲突解决：通过使用BOM文件或依赖冲突解决策略来避免版本冲突。例如，可以使用<dependencyManagement>部分来定义依赖关系和版本。

第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库的集成模式，包括声明式集成和编程式集成。

• 声明式集成：声明式集成允许开发者通过配置文件或注解来集成第三方库。例如，可以使用@Bean注解来定义第三方库的Bean。
• 编程式集成：编程式集成允许开发者通过编写代码来集成第三方库。例如，可以使用Spring的ApplicationContext来获取第三方库的Bean。

Actuator

Spring Boot Actuator提供了生产级的应用程序监控和管理功能。

• 健康检查端点：健康检查端点用于检查应用程序的健康状态。开发者可以使用@HealthIndicator注解来定义健康检查逻辑。
• 度量指标收集：度量指标收集用于收集应用程序的性能指标。开发者可以使用@Metered注解来定义度量指标。
• 自定义Endpoint开发：自定义Endpoint允许开发者创建自定义的端点来提供额外的监控信息。开发者可以使用@Endpoint注解来定义自定义端点。

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。

• 多环境配置：Spring Boot支持多环境配置。开发者可以通过创建不同的配置文件（例如application-dev.yml和application-prod.yml）来为不同的环境配置应用程序。
• 配置加载优先级：Spring Boot按照一定的优先级加载配置文件。例如，它会首先加载application.yml文件，然后加载以application-{profile}.yml为前缀的配置文件。
• 动态配置刷新：Spring Boot支持动态刷新配置文件中的内容。开发者可以使用Spring Cloud Config或Spring Cloud Bus来实现动态配置刷新。

监控与日志

Spring Boot提供了监控和日志配置的支持。

• Micrometer集成：Micrometer是一个监控和度量集成库，它支持多种监控工具，例如Prometheus、Grafana等。
• Logback/SLF4J配置：Spring Boot使用Logback作为默认的日志框架，它提供了丰富的日志配置选项。开发者可以使用SLF4J作为日志门面，以支持不同的日志实现。

分布式链路追踪扩展机制

Spring Boot支持分布式链路追踪，允许开发者追踪分布式系统的请求路径。

• 自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点：自定义AutoConfigurationBean生命周期扩展点允许开发者扩展Spring Boot的生命周期。例如，可以创建一个自定义的ApplicationContextInitializer来在应用程序启动时执行特定的逻辑。
• 响应式编程支持：Spring Boot支持响应式编程模型，它允许开发者使用@SpringBootApplication注解来创建响应式应用程序。

通过以上框架，我们可以看到JVM和Spring Boot的知识体系是如何相互关联和补充的。JVM提供了Java应用程序的运行时环境，而Spring Boot则构建在JVM之上，提供了自动配置、依赖管理和扩展机制，使得开发人员可以更高效地构建Java应用程序。这些知识点的深入理解和应用，对于开发高性能、可维护的Java应用程序至关重要。

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