JVM与Spring Boot详解

📕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知识体系详解

一、JVM概述

Java虚拟机（JVM）是Java程序的运行环境，它负责将Java字节码转换为机器码，实现跨平台运行。JVM的这种设计允许Java程序在任意硬件和操作系统上运行，只要存在对应的JVM实现。JVM由以下几个主要部分组成：类加载器、运行时数据区、执行引擎、本地库接口和垃圾回收器。

类加载器负责将Java源代码编译成的.class文件加载到JVM中，这个过程称为类加载。运行时数据区是JVM在运行过程中使用的内存区域，包括方法区、堆、栈、程序计数器、本地方法栈等。执行引擎负责执行字节码，包括解释器、即时编译器（JIT）和优化器。本地库接口（Native Interface）允许Java程序调用本地代码，如C或C++。垃圾回收器（Garbage Collector，GC）负责自动回收不再使用的对象所占用的内存。

二、类加载机制

类加载机制是JVM的核心机制之一，负责将Java类编译后的字节码加载到JVM中。类加载过程主要包括三个阶段：加载、连接和初始化。

1. 加载：加载类信息到方法区，为类的初始化做好准备工作。在这个过程中，JVM会查找类定义，读取类文件内容，并将其存储在方法区中。

2. 连接：连接过程包括验证、准备和解析三个子过程。

   • 验证：确保类符合JVM规范，没有安全问题和错误。验证过程包括字节码验证、符号引用验证、类文件结构验证等。
   • 准备：为类变量分配内存，并设置默认初始值。对于基本数据类型，初始值为0；对于引用类型，初始值为null。
   • 解析：将类、接口、字段和方法的符号引用转换为直接引用。解析过程涉及到符号引用和直接引用的转换，以及符号表的构建。

3. 初始化：初始化类变量，执行静态代码块和静态初始化器。初始化过程发生在第一次使用类或接口时，或者使用反射时。

三、双亲委派模型

双亲委派模型是JVM类加载机制的核心，它要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。当需要加载一个类时，先由父类加载器尝试加载，如果失败，再由子类加载器加载。这种模型的优点是避免了类的重复加载，同时也保证了类型的安全。

四、自定义类加载器

自定义类加载器允许开发者实现自己的类加载逻辑，如加载特定格式的文件或从网络加载类。自定义类加载器需要继承ClassLoader类并重写findClass方法。在实现findClass方法时，可以根据需要访问文件系统或网络资源，找到并返回类定义的字节码。

五、模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的模块化系统，它通过模块定义和模块依赖来提高Java应用程序的模块化、可重用性和安全性。JPMS将Java程序划分为多个模块，每个模块包含一组类和资源，模块之间通过模块依赖关系进行关联。这种模块化设计有助于提高程序的可维护性和可扩展性。

六、内存模型

JVM内存模型包括堆、栈、方法区和PC寄存器等几个部分。

1. 堆：存储所有类实例和数组对象。堆是JVM中最大的内存区域，也是垃圾回收的主要区域。

2. 栈：存储局部变量和方法调用信息。每个线程都有自己的栈，栈空间有限，当栈空间不足时，可能会抛出StackOverflowError或OutOfMemoryError。

3. 方法区：存储类信息、常量、静态变量等。方法区是所有线程共享的内存区域，在JVM启动时创建。

4. PC寄存器：用于指示当前线程执行的位置。每个线程都有自己的PC寄存器，用于控制程序的执行流程。

七、内存溢出场景分析

内存溢出通常发生在堆空间不足时，可能导致JVM崩溃。常见的内存溢出场景包括：

• 无限递归导致栈溢出：在递归过程中，如果没有合适的终止条件，会导致栈空间耗尽。
• 内存泄漏导致堆空间不足：在程序运行过程中，一些不再使用的对象占用了内存，但没有被垃圾回收器回收。

八、垃圾回收

垃圾回收是JVM自动回收不再使用的对象所占用的内存。垃圾回收过程主要包括以下步骤：

1. GC Roots可达性分析：从GC Roots开始，遍历可达对象，确定哪些对象需要回收。

2. 分代收集理论：将对象分为新生代和老年代，针对不同年代采用不同的回收策略。

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。

4. 垃圾回收算法：常见的垃圾回收算法包括标记-清除、复制和整理算法。

5. 并发收集器：CMS和G1是常见的并发收集器，它们可以在应用程序运行期间进行垃圾回收，减少停顿时间。

6. 停顿时间控制策略：通过调整JVM参数来控制垃圾回收的停顿时间。

九、性能调优与JVM参数配置

性能调优是优化JVM运行性能的关键。常见的JVM参数包括：

• Xms和Xmx：控制堆空间的初始大小和最大大小。
• -XX:+UseG1GC：启用G1垃圾回收器。

十、内存泄漏诊断

内存泄漏是指程序中已经不再使用的对象占用了内存，但没有被垃圾回收器回收。内存泄漏可能导致JVM内存溢出。常见的内存泄漏诊断工具包括JProfiler和MAT。

十一、JIT编译优化

JIT编译器是JVM的核心组件之一，它负责将Java字节码编译成本地机器码，提高程序运行效率。JIT编译优化包括：

• 方法内联
• 循环展开
• 常量传播

Spring Boot知识体系详解

一、Spring Boot概述

Spring Boot是Spring框架的一个子项目，它简化了Spring应用的创建和配置过程。Spring Boot通过自动配置和起步依赖等特性，使开发者可以快速启动和运行Spring应用。Spring Boot的核心目标是简化Spring应用的部署和管理，提高开发效率。

二、自动配置

Spring Boot的自动配置机制可以自动配置Spring应用程序。当Spring Boot启动时，它会根据依赖项和类路径上的条件自动配置相关组件。自动配置的实现依赖于Spring的@Configuration注解和条件化配置。

三、@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解是Spring Boot自动配置的核心。它通过类路径扫描和条件化配置，自动配置符合条件的Bean。当@EnableAutoConfiguration注解出现在一个配置类上时，Spring Boot会扫描所有启用的自动配置类，并根据类路径上的条件进行筛选，最终配置符合条件的Bean。

四、条件化配置（@Conditional）

条件化配置允许开发者根据特定条件来启用或禁用某些配置。@Conditional注解及其实现类提供了多种条件化配置的方式，如@ConditionalOnClass、@ConditionalOnMissingBean等。

五、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。开发自定义Starter需要创建一个Maven项目，并添加起步依赖和依赖管理机制。在自定义Starter中，可以定义起步依赖和配置文件，以便在集成时自动添加依赖和配置。

六、起步依赖与依赖管理机制

起步依赖是Spring Boot的核心特性之一，它简化了依赖管理过程。起步依赖通常以spring-boot-starter-*的形式存在，包含了一组预定义的依赖项。通过添加起步依赖，可以自动添加所需的库和依赖。

七、版本冲突解决

在开发Spring Boot应用时，版本冲突可能导致应用程序无法正常运行。解决版本冲突的方法包括使用依赖管理机制、排除依赖或升级依赖。

八、第三方库集成模式

Spring Boot支持多种第三方库集成模式，如@Bean、@Configuration和@Component等。这些模式允许开发者将第三方库集成到Spring应用程序中，并进行配置和管理。

九、Actuator

Spring Boot Actuator是一个生产级应用监控和管理工具，它提供了多种端点，如健康检查、度量指标等。通过使用Actuator，可以方便地监控和管理Spring Boot应用程序。

十、健康检查端点

健康检查端点可以用来检查应用程序的状态，如数据库连接、缓存状态等。通过健康检查端点，可以实时了解应用程序的健康状况。

十一、度量指标收集

度量指标收集可以用来收集应用程序的性能数据，如响应时间、内存使用情况等。通过度量指标收集，可以更好地了解应用程序的性能表现。

十二、自定义Endpoint开发

自定义Endpoint允许开发者创建自己的端点，用于监控和管理应用程序。通过自定义Endpoint，可以扩展Actuator的功能，满足特定的监控和管理需求。

十三、配置文件管理

Spring Boot使用application.yml或application.properties作为配置文件，它支持多环境配置和多配置文件加载。通过配置文件，可以定义应用程序的配置参数，如数据库连接信息、服务端口号等。

十四、配置加载优先级

配置文件加载优先级由配置文件的路径和名称决定，通常情况下，配置文件会按照以下顺序加载：

• application.yml
• application.properties
• application-{profile}.yml
• application-{profile}.properties

十五、动态配置刷新

Spring Boot支持动态配置刷新，允许在应用程序运行期间修改配置并立即生效。动态配置刷新可以方便地调整应用程序的配置参数，而无需重新启动应用程序。

十六、监控与日志

Spring Boot支持多种监控和日志框架，如Micrometer和Logback/SLF4J。通过使用这些监控和日志框架，可以更好地监控和管理应用程序的性能和日志。

十七、分布式链路追踪

Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin和Jaeger。通过分布式链路追踪，可以追踪应用程序中的请求路径，了解请求的处理过程，从而优化应用程序的性能和稳定性。

十八、扩展机制

Spring Boot提供了多种扩展机制，如自定义AutoConfiguration、Bean生命周期扩展点等。通过扩展机制，可以扩展Spring Boot的功能，满足特定的需求。

十九、响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，如Spring WebFlux和Reactor。通过响应式编程，可以构建高性能、可扩展的网络应用程序。

通过以上对JVM和Spring Boot知识体系的详细解析，相信读者能够对这两个技术有更深入的理解。在实际开发过程中，我们可以根据具体需求，灵活运用这些知识点，提升应用程序的性能和可维护性。

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