Spring Boot的启动原理与优化技巧

Spring Boot 的启动原理

Spring Boot 以其快速开发、自动配置等特性，成为了Java 开发者构建应用的热门选择。深入了解其启动原理，有助于开发者更好地优化和定制应用。

SpringApplication 类

Spring Boot 的启动入口是 SpringApplication 类。当我们在 main 方法中创建 SpringApplication 实例并调用 run 方法时，一系列复杂的启动流程就开始了。

public class Application {
    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(Application.class, args);
    }
}

在 SpringApplication 的构造函数中，它会对传入的主配置类进行分析。它会检测该类是否是 Web 应用（基于 WebApplicationType 枚举），以及初始化各种初始化器和监听器。

public SpringApplication(ResourceLoader resourceLoader, Class<?>... primarySources) {
    this.resourceLoader = resourceLoader;
    Assert.notNull(primarySources, "PrimarySources must not be null");
    this.primarySources = new LinkedHashSet<>(Arrays.asList(primarySources));
    this.webApplicationType = WebApplicationType.deduceFromClasspath();
    setInitializers((Collection) getSpringFactoriesInstances(ApplicationContextInitializer.class));
    setListeners((Collection) getSpringFactoriesInstances(ApplicationListener.class));
    this.mainApplicationClass = deduceMainApplicationClass();
}

启动流程

初始化阶段
- 推断应用类型：WebApplicationType 用于判断应用是 SERVLET、REACTIVE 还是 NONE 类型。它通过检查类路径中是否存在特定的类（如 javax.servlet.Servlet、org.springframework.web.reactive.DispatcherHandler）来做出判断。
- 加载初始化器和监听器：SpringApplication 从 META-INF/spring.factories 文件中加载 ApplicationContextInitializer 和 ApplicationListener。这些初始化器和监听器可以在应用上下文创建前后执行特定的逻辑。例如，ConfigFileApplicationListener 就是一个重要的初始化器，它负责加载 application.properties 或 application.yml 等配置文件。
创建应用上下文阶段
- 创建上下文实例：根据推断出的应用类型，SpringApplication 创建相应类型的 ApplicationContext。对于 SERVLET 应用，通常是 AnnotationConfigServletWebServerApplicationContext；对于 REACTIVE 应用，是 AnnotationConfigReactiveWebServerApplicationContext。
- 应用初始化器：在上下文实例创建后，SpringApplication 会调用所有已加载的 ApplicationContextInitializer 的 initialize 方法。这些初始化器可以对上下文进行进一步的配置，比如添加属性源等。
刷新应用上下文阶段
- 加载 bean 定义：上下文刷新过程中，Spring 会扫描主配置类及其相关的配置类，加载所有的 bean 定义。这包括通过 @ComponentScan 扫描到的组件，以及使用 @Bean 注解定义的 bean。
- 实例化和初始化 bean：Spring 根据 bean 定义，实例化并初始化所有的 bean。在这个过程中，会处理 bean 的依赖注入、生命周期回调等。例如，如果一个 bean 依赖另一个 bean，Spring 会确保先实例化和初始化被依赖的 bean，然后再注入到依赖它的 bean 中。
启动阶段
- 启动 web 服务器：对于 SERVLET 或 REACTIVE 类型的应用，上下文刷新完成后，会启动相应的 web 服务器（如 Tomcat、Jetty 或 Undertow）。服务器启动后，应用就可以接收外部请求了。
- 发布事件：整个启动过程中，SpringApplication 会发布各种 ApplicationEvent，如 ApplicationStartingEvent、ApplicationReadyEvent 等。监听器可以监听这些事件，执行特定的逻辑，比如在应用启动完成后打印启动日志等。

Spring Boot 的优化技巧

了解了 Spring Boot 的启动原理后，我们可以从多个方面对应用进行优化，以提高性能和启动速度。

减少不必要的依赖

分析依赖树 在 pom.xml（Maven 项目）或 build.gradle（Gradle 项目）中，我们可以使用工具来分析项目的依赖树。对于 Maven，可以使用 mvn dependency:tree 命令。这个命令会打印出项目所有依赖的树形结构，我们可以从中找出不必要的依赖。

<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
</dependency>

假设项目中引入了 spring-boot-starter-web，它会自动引入一系列依赖，包括 Tomcat 作为默认的 web 服务器。如果项目不需要 web 功能，就可以移除这个依赖。

排除传递依赖 有时候，一个依赖会传递引入一些我们不需要的依赖。我们可以通过在依赖中使用 exclusions 标签（Maven）或 exclude 方法（Gradle）来排除这些传递依赖。

<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-jdbc</artifactId>
    <exclusions>
        <exclusion>
            <groupId>com.h2database</groupId>
            <artifactId>h2</artifactId>
        </exclusion>
    </exclusions>
</dependency>

在上述例子中，spring-boot-starter-jdbc 可能会传递引入 h2 数据库依赖。如果项目不使用 h2，就可以通过这种方式排除。

优化配置文件加载

合理组织配置文件 Spring Boot 支持多种配置文件格式，如 properties 和 yml。在大型项目中，将配置文件按功能模块进行拆分，可以提高配置的可读性和维护性。例如，可以创建 application - common.yml 存放通用配置，application - dev.yml 存放开发环境配置，application - prod.yml 存放生产环境配置。

# application - common.yml
server:
  port: 8080

# application - dev.yml
spring:
  datasource:
    url: jdbc:mysql://localhost:3306/dev_db
    username: dev_user
    password: dev_password

# application - prod.yml
spring:
  datasource:
    url: jdbc:mysql://prod - db - server:3306/prod_db
    username: prod_user
    password: prod_password

减少配置文件加载时间 Spring Boot 启动时会加载多个配置文件，包括默认的 application.properties 或 application.yml。可以通过设置 spring.config.location 属性来指定配置文件的位置，避免不必要的文件搜索。

public class Application {
    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication app = new SpringApplication(Application.class);
        app.setDefaultProperties(Collections.singletonMap("spring.config.location", "classpath:/config/,file:./config/"));
        app.run(args);
    }
}

这样配置后，Spring Boot 会优先从指定的位置加载配置文件，减少了在整个类路径下搜索配置文件的时间。

优化 bean 的加载和初始化

懒加载 bean 对于一些不急于使用的 bean，可以使用懒加载。在 Spring Boot 中，只需在 @Component 或 @Bean 注解的类或方法上添加 @Lazy 注解即可。

import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Lazy;
import org.springframework.stereotype.Component;

@Component
@Lazy
public class LazyLoadedBean {
    public LazyLoadedBean() {
        System.out.println("LazyLoadedBean is initialized");
    }
}

当 LazyLoadedBean 被标记为懒加载后，它不会在应用启动时立即初始化，而是在第一次被使用时才初始化，从而加快了应用的启动速度。

优化 bean 的依赖关系 尽量减少 bean 之间的复杂依赖关系。复杂的依赖关系可能导致 bean 的初始化顺序难以控制，增加启动时间。例如，如果一个 bean A 依赖于 bean B、C 和 D，而 bean B 又依赖于 bean E 和 F，这种多层依赖关系可能会使启动过程变得复杂。可以通过重构代码，将一些依赖关系进行简化，比如将部分功能封装到一个新的 bean 中，减少依赖层次。

优化 web 服务器配置

选择合适的 web 服务器 Spring Boot 默认使用 Tomcat 作为 web 服务器。对于一些轻量级应用，可以考虑使用 Jetty 或 Undertow。Jetty 以其轻量级和高性能著称，而 Undertow 则在处理高并发场景下表现出色。

要切换到 Jetty，可以在 pom.xml 中添加以下依赖：

<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
    <exclusions>
        <exclusion>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-tomcat</artifactId>
        </exclusion>
    </exclusions>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-jetty</artifactId>
</dependency>

调整 web 服务器参数 对于 Tomcat，可以通过在 application.properties 或 application.yml 中配置参数来优化性能。例如，可以调整最大线程数、连接超时时间等。

server:
  tomcat:
    max - threads: 200
    min - spare - threads: 10
    connection - timeout: 5000

通过合理调整这些参数，可以提高 web 服务器在高并发场景下的处理能力，同时也可以在一定程度上优化启动时间。

使用 AOT 编译

什么是 AOT 编译 AOT（Ahead - Of - Time）编译是 Spring Boot 2.6 引入的新特性。传统的 Spring 应用在启动时会进行大量的反射操作来加载和初始化 bean。AOT 编译则在构建阶段将这些反射操作提前处理，生成字节码，从而加快应用的启动速度。
启用 AOT 编译 要启用 AOT 编译，首先需要在项目中添加 spring - boot - aot - gradle - plugin 或 spring - boot - aot - maven - plugin。

对于 Gradle 项目，在 build.gradle 中添加：

plugins {
    id 'org.springframework.boot' version '2.6.0'
    id 'io.spring.aot' version '0.11.0'
}

然后运行 ./gradlew bootAotBuild 命令，Gradle 会在构建过程中生成 AOT 相关的代码和资源。在应用启动时，这些预编译的代码会被使用，大大加快启动速度。

优化日志配置

减少日志输出级别 在开发环境中，通常会将日志级别设置为 DEBUG 或 TRACE 以方便调试。但在生产环境中，过高的日志级别会增加系统开销，影响性能。可以将日志级别调整为 INFO 或 WARN。

在 application.yml 中配置：

logging:
  level:
    root: INFO
    org.springframework: INFO

选择合适的日志框架 Spring Boot 默认支持多种日志框架，如 Logback、Log4j2。Log4j2 在性能方面表现较好，特别是在高并发场景下。如果项目对性能要求较高，可以考虑切换到 Log4j2。

在 pom.xml 中排除默认的 Logback 依赖，添加 Log4j2 依赖：

<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter - logging</artifactId>
    <exclusions>
        <exclusion>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-logging</artifactId>
        </exclusion>
    </exclusions>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-log4j2</artifactId>
</dependency>

通过以上这些优化技巧，我们可以在深入理解 Spring Boot 启动原理的基础上，对应用进行全面的优化，提高应用的性能和启动速度，使其更适合不同的生产环境和业务需求。