JVM核心技术解析

📕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）、《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知识体系补充说明

一、类加载机制

类加载机制是JVM的生命线，它确保了Java程序的运行安全性和稳定性。在类加载过程中，涉及到的技术细节如下：

1. 加载阶段：JVM使用类加载器（ClassLoader）来查找和加载类。这个过程涉及到类文件格式规范，其中类文件包含类的基本信息、字段描述、方法描述、属性表等。类加载器可以是Bootstrap ClassLoader、Extension ClassLoader和Application ClassLoader。

2. 连接阶段：在连接阶段，JVM会执行以下任务：

   • 验证：确保类文件符合Java虚拟机规范，如检查字节码结构、符号引用的准确性等。
   • 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，如将方法句柄或字段句柄转换为指针。

3. 初始化阶段：类构造器方法（clinit()）在初始化阶段被调用，这个阶段负责执行类的静态初始化代码块，以及初始化类变量。

二、双亲委派模型

双亲委派模型是一种安全机制，它通过委托给父类加载器来避免类加载器之间的冲突。在实现上，JVM确保：

• 加载类时，首先由启动类加载器尝试加载。
• 如果父类加载器无法加载，则由子类加载器尝试加载。
• 这种机制防止了类替换攻击，保证了类加载的安全性。

三、自定义类加载器

自定义类加载器允许开发者控制类的加载过程，例如：

• 动态加载类：在运行时根据需要动态加载类，实现热部署。
• 加载特定类路径下的类：指定自定义的类路径，加载特定类。
• 实现类隔离：为不同的应用程序区域提供独立的类加载器，避免类冲突。

四、模块化系统（JPMS）

Java Platform Module System（JPMS）通过模块来组织代码，提高了系统的可维护性和安全性。在实现上，JPMS涉及以下技术细节：

• 模块定义：使用模块描述符（module-info.java）来定义模块的依赖、导出和需要。
• 模块解析：JVM在启动时解析模块依赖关系，构建模块依赖图。
• 模块加载：JVM根据模块依赖图加载模块，并确保模块之间的隔离。

内存模型与运行时数据区补充说明

一、内存模型

JVM的内存模型由堆、栈、方法区和PC寄存器组成，每个区域在实现上具有以下特点：

1. 堆：堆是所有线程共享的内存区域，用于存储对象实例和数组的内存。在实现上，堆分为新生代和老年代，新生代使用复制算法，老年代使用标记-清除或标记-整理算法。

2. 栈：栈是线程私有的内存区域，用于存储局部变量和方法参数。在实现上，栈通常使用栈帧来存储数据，每个栈帧包含局部变量表、操作数栈、动态链接信息和异常处理表。

3. 方法区：方法区存储类信息、常量、静态变量等。在实现上，方法区使用元空间（Metaspace）来存储类元数据，元空间是JVM运行时的一部分，但不是堆的一部分。

4. PC寄存器：PC寄存器存储当前线程所执行的指令的地址。在实现上，PC寄存器是每个线程独有的，用于控制程序的执行流程。

二、内存溢出场景分析

内存溢出的常见场景包括：

• 大量对象创建：在堆空间中创建大量对象，可能导致堆空间不足。
• 数组越界：在栈空间中创建数组时，如果数组大小超过栈的容量，可能导致栈空间溢出。
• 循环引用：两个对象相互引用，导致垃圾回收器无法回收，最终导致内存溢出。

三、直接内存管理

直接内存是堆外内存，不受JVM内存模型的限制。在实现上，直接内存通过MappedByteBuffer类来操作，它可以映射到文件或设备，提高了内存操作的效率。

四、垃圾回收

垃圾回收是JVM自动回收不再使用的对象占用的内存。在实现上，垃圾回收涉及以下技术细节：

• 标记-清除：分为标记和清除两个阶段，先标记可达对象，然后清除不可达对象。
• 复制：将内存分为两个相等的区域，每次只使用其中一个区域，当该区域满了之后，将存活对象复制到另一个区域，并交换两个区域的指针。
• 整理：在复制算法的基础上，对内存进行整理，使得所有存活对象都聚集在内存的一端，提高空间利用率。

五、GC Roots可达性分析

GC Roots是一组对象，作为垃圾回收的起点。在实现上，GC Roots通常包括：

• 方法区中的静态变量引用的对象
• 栈中的引用变量
• 本地方法栈中的引用变量

垃圾回收器通过GC Roots对对象进行可达性分析，判断对象是否可达，从而决定是否回收。

六、分代收集理论

分代收集理论将内存分为新生代和老年代，分别采用不同的垃圾回收算法。在实现上，新生代使用复制算法，老年代使用标记-清除或标记-整理算法。

七、引用类型

引用类型分为强引用、软引用、弱引用和虚引用，它们在实现上具有以下特点：

• 强引用：最普通的引用类型，垃圾回收器不会回收强引用指向的对象。
• 软引用：用于缓存，当内存不足时，垃圾回收器会回收软引用指向的对象。
• 弱引用：用于临时缓存，垃圾回收器会随时回收弱引用指向的对象。
• 虚引用：用于对象回收的辅助，没有任何实际意义。

八、垃圾回收算法

垃圾回收算法主要包括标记-清除、复制和整理算法，它们在实现上具有以下特点：

• 标记-清除：分为标记和清除两个阶段，先标记可达对象，然后清除不可达对象。
• 复制：将内存分为两个相等的区域，每次只使用其中一个区域，当该区域满了之后，将存活对象复制到另一个区域，并交换两个区域的指针。
• 整理：在复制算法的基础上，对内存进行整理，使得所有存活对象都聚集在内存的一端，提高空间利用率。

九、并发收集器

并发收集器在垃圾回收过程中，允许与应用程序并发执行。在实现上，常见的并发收集器包括：

• CMS（Concurrent Mark Sweep）：采用标记-清除算法，适用于对停顿时间要求较高的场景。
• G1（Garbage-First）：采用标记-整理算法，适用于大内存场景。
• ZGC（Z Garbage Collector）：采用标记-整理算法，适用于小内存场景。

十、停顿时间控制策略

停顿时间控制策略主要包括：

• 响应时间优先：尽可能减少停顿时间，适用于对响应时间要求较高的场景。
• 吞吐量优先：在保证程序运行效率的前提下，尽量减少停顿时间，适用于对吞吐量要求较高的场景。

十一、性能调优与JVM参数配置

性能调优主要包括调整JVM参数、优化代码和算法等。在实现上，JVM参数配置包括：

• 堆内存大小：通过参数如-Xms和-Xmx来设置堆内存的大小。
• 垃圾回收器选择：通过参数如-XX:+UseParallelGC来选择合适的垃圾回收器。
• 内存分配策略：通过参数如-XX:+UseTLAB来启用TLAB（Thread-Local Allocation Buffer）。

Spring Boot知识体系补充说明

一、自动配置

自动配置是Spring Boot的核心功能之一，它简化了Spring应用的创建和配置过程。在实现上，自动配置通过以下技术细节来完成：

1. 条件化配置：根据项目依赖自动配置Spring框架和相关组件。
2. 条件注解：使用@Conditional注解来根据不同的条件动态地启用或禁用配置。

二、@EnableAutoConfiguration原理

@EnableAutoConfiguration注解通过类路径下META-INF/spring.factories文件中的AutoConfiguration类，实现自动配置。在实现上，这个文件列出了所有可用的自动配置类，Spring Boot会自动加载并启用它们。

三、条件化配置（@Conditional）

条件化配置可以根据不同的条件动态地启用或禁用配置。在实现上，@Conditional注解可以与各种条件注解结合使用，如@ConditionalOnClass、@ConditionalOnBean等。

四、自定义Starter开发

自定义Starter可以让我们方便地将自己的库集成到Spring Boot项目中。在实现上，自定义Starter需要创建一个包含特定依赖的Maven或Gradle项目，并使用spring-boot-starter父项目。

五、起步依赖与依赖管理机制

起步依赖是一组预定义的依赖，用于简化Spring Boot项目的依赖管理。在实现上，起步依赖通过Maven或Gradle的依赖声明来管理。

六、版本冲突解决

版本冲突是指依赖之间的版本不兼容。在实现上，解决版本冲突的方法包括：

• 使用依赖管理工具：如Maven或Gradle，通过依赖声明来管理依赖版本。
• 排除依赖：在依赖声明中使用排除（exclude）功能来排除特定的依赖版本。

七、第三方库集成模式

第三方库集成模式主要有：

• 依赖注入：使用Spring框架的依赖注入功能，将第三方库集成到项目中。
• 自定义配置：通过自定义配置类，配置第三方库。

八、Actuator与健康检查

Actuator是Spring Boot提供的监控和管理应用程序的工具。在实现上，Actuator提供了一系列端点，如健康检查端点和度量指标端点，用于监控应用程序的运行状态和性能数据。

九、自定义Endpoint开发

自定义Endpoint可以让我们自定义健康检查、度量指标等。在实现上，自定义Endpoint需要实现org.springframework.boot.actuate.endpoint.Endpoint接口。

十、配置文件管理

Spring Boot支持多环境配置，通过配置文件（application-{profile}.yml）来区分不同环境的配置。在实现上，Spring Boot会根据当前激活的配置文件来加载配置。

十一、配置加载优先级

配置加载优先级从高到低为：

• 命令行参数
• 环境变量
• 配置文件

十二、动态配置刷新

动态配置刷新允许我们在应用程序运行时修改配置。在实现上，Spring Boot通过Spring Cloud Config或Spring Cloud Bus等工具来实现动态配置刷新。

十三、监控与日志

Spring Boot支持多种监控和日志框架，如Micrometer、Logback、SLF4J等。在实现上，这些框架提供了丰富的监控和日志功能，可以帮助开发者更好地监控和管理应用程序。

十四、分布式链路追踪

分布式链路追踪可以帮助我们了解应用程序的执行流程，定位问题。在实现上，常见的分布式链路追踪框架包括Zipkin、Jaeger等。

十五、扩展机制

Spring Boot提供了丰富的扩展机制，如自定义AutoConfiguration、Bean生命周期扩展点等。在实现上，这些扩展机制允许开发者自定义Spring Boot的行为。

十六、响应式编程支持

Spring Boot支持响应式编程，通过Reactor、Project Reactor等库实现。在实现上，响应式编程允许应用程序以非阻塞的方式处理数据流，提高了应用程序的性能和可伸缩性。

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