通过 HelloWorld 深入剖析 JVM 启动过程

在 Java 开发中，理解 JVM 的启动过程对于调试和性能优化至关重要。本文将通过一个简单的 HelloWorld 示例，深入探讨从运行 java 命令到应用程序启动的全过程，帮助开发人员更好地理解 JVM 的内部机制。

文章目录

[通过 HelloWorld 深入剖析 JVM 启动过程](#通过 HelloWorld 深入剖析 JVM 启动过程)
- [1. 概述](#1. 概述)
- [2. 从 Java 命令到 JVM 启动](#2. 从 Java 命令到 JVM 启动)
- - [2.1 Java 命令与初始调用](#2.1 Java 命令与初始调用)
  - [2.2 参数验证](#2.2 参数验证)
  - [2.3 系统资源检测](#2.3 系统资源检测)
  - [2.4 环境准备](#2.4 环境准备)
- [3. 加载、链接和初始化](#3. 加载、链接和初始化)
- - [3.1 垃圾回收器选择](#3.1 垃圾回收器选择)
  - [3.2 缓存数据存储加载](#3.2 缓存数据存储加载)
  - [3.3 创建方法区](#3.3 创建方法区)
  - [3.4 类加载](#3.4 类加载)
  - [3.5 类链接](#3.5 类链接)
  - [3.6 类初始化](#3.6 类初始化)
- [4. 优化 JVM 启动性能](#4. 优化 JVM 启动性能)
- - [4.1 类加载的影响](#4.1 类加载的影响)
  - [4.2 莱顿计划（Project Leyden）](#4.2 莱顿计划（Project Leyden）)
  - [4.3 JVM 标志和调优](#4.3 JVM 标志和调优)
- [5. 结论](#5. 结论)

1. 概述

运行 Java 应用程序时，JVM 会执行一系列复杂的初始化步骤，这些步骤为 Java 应用程序的运行奠定了基础。通过了解这些内部机制，我们可以显著提升调试和性能调优的效率。

2. 从 Java 命令到 JVM 启动

在 JVM 能够执行任何代码之前，它必须先启动、验证输入并配置其运行环境。本节将介绍从运行 java 命令到初始化 JVM 运行时的早期启动序列。

2.1 Java 命令与初始调用

当我们运行 java 命令时，JVM 启动序列首先调用 JNI 方法 JNI_CreateJavaVM()。该方法负责执行必要的初始化任务，为 Java 应用程序的运行做好准备。Java 原生接口（JNI）作为 JVM 与本地系统库之间的桥梁，实现了 Java 代码与平台特定功能之间的无缝双向通信。

bash 复制代码

java -Xlog:all=trace HelloWorld

2.2 参数验证

JVM 首先验证我们传递的参数，确保它们有效后才会继续执行。此验证步骤有助于在启动过程早期发现许多常见的配置错误，防止它们在后续阶段引发问题。

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[0.006s][info][arguments] VM Arguments:
[arguments] jvm_args: -Xlog:all=trace:file=helloworld.log 
[arguments] java_command: HelloWorld
[arguments] java_class_path (initial): .
[arguments] Launcher Type: SUN_STANDARD

2.3 系统资源检测

接下来，JVM 会识别可用的系统资源，例如处理器数量、内存大小和关键系统服务。这些信息指导 JVM 做出一些内部决策，例如默认选择哪个垃圾回收器。

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[0.007s][debug][os       ] Process is running in a job with 20 active processors.
[os       ] Initial active processor count set to 20
[os       ] Process is running in a job with 20 active processors.
[gc,heap  ]   Maximum heap size 4197875712
[gc,heap  ]   Initial heap size 262367232
[gc,heap  ]   Minimum heap size 6815736
[os       ] Host Windows OS automatically schedules threads across all processor groups.
[os       ] 20 logical processors found.

2.4 环境准备

然后，JVM 通过生成 HotSpot 性能数据来准备运行时环境。这些数据会被 JConsole 和 VisualVM 等性能分析工具使用。

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[perf,datacreation] name = sun.rt._sync_Inflations, dtype = 11, variability = 2, units = 4, dsize = 8, vlen = 0, pad_length = 4, size = 56, on_c_heap = FALSE, address = 0x000001f3085f0020, data address = 0x000001f3085f0050

3. 加载、链接和初始化

一旦 JVM 环境准备就绪，它将开始为执行我们的程序做准备。

3.1 垃圾回收器选择

JVM 内部的一个关键步骤是选择垃圾回收器。从 JDK 23 开始，默认情况下，JVM 选择 G1 GC，除非系统内存小于 1792MB 和/或系统是单处理器系统。

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[gc               ] Using G1
[gc,heap,coops    ] Trying to allocate at address 0x0000000705c00000 heap of size 0xfa400000
[os               ] VirtualAlloc(0x0000000705c00000, 4198498304, 2000, 4) returned 0x0000000705c00000.
[os,map           ] Reserved [0x0000000705c00000 - 0x0000000800000000), (4198498304 bytes)
[gc,heap,coops    ] Heap address: 0x0000000705c00000, size: 4004 MB, Compressed Oops mode: Zero based, Oop shift amount: 3
[pagesize         ] Heap:  min=8M max=4004M base=0x0000000705c00000 size=4004M page_size=4K

3.2 缓存数据存储加载

JVM 开始寻求优化。CDS（Class Data Sharing）是一个已经过预处理的类文件归档，它可以显著提高 JVM 的启动性能。

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[cds] trying to map [Java home]/lib/server/classes.jsa
[cds] Opened archive [Java home]/lib/server/classes.jsa

3.3 创建方法区

JVM 随后会创建方法区，这是一个特殊的堆外内存区域，用于存储类数据。HotSpot JVM 实现将此区域称为元空间。

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[metaspace,map    ] Trying anywhere...
[metaspace,map    ] Mapped at 0x000001f32b000000

3.4 类加载

类加载是一个三步过程：找到类的二进制表示、从中派生出类，并将其加载到方法区。动态加载类的能力使得像 Spring 和 Mockito 这样的框架能够在 JVM 运行时按需加载生成的类。

我们可以通过两种方式加载类：使用引导类加载器（bootstrap class loader）或自定义类加载器。现在，借助 HelloWorld 类，我们来理解 JVM 首先需要做什么：

java 复制代码

public class HelloWorld extends Object {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello World!");
    }
}

JVM 会首先加载 java.lang.Object 及其所有依赖项。当类最初被加载时，它们处于一种相对隐藏的状态，以便进行重要的验证和清理步骤。

让我们看看 java.lang.Object 的方法：

java 复制代码

public class Object {
    public final native Class<?> getClass();
    public String toString();
    public boolean equals(Object obj);
}

这些方法引用了 java.lang.Class 和 java.lang.String，这些类必须先被加载。JVM 采用懒加载策略，仅在类被主动引用时才加载它们。然而，我们在本节中讨论的类是急切加载的，因为它们是 JVM 运行的基础。引导类加载器在 JNI_CreateJavaVM() 期间被实例化，它负责处理简单 HelloWorld 程序的所有类加载。

3.5 类链接

类链接包含三个子过程------验证、准备和解析。这些步骤并非按顺序进行，解析可以在验证之前、类初始化之后的任何时间发生。验证确保类结构正确：

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[class,init] Start class verification for: HelloWorld
[verification] Verifying class HelloWorld with new format
[verification] Verifying method HelloWorld.<init>()V

CDS 中的类已经经过验证，因此可以跳过此步骤，从而提高启动性能。这是 CDS 提供者的一个关键优势。在准备阶段，JVM 会将静态字段初始化为其默认值。任何没有显式初始化器的静态变量将自动获得其默认值。

在解析阶段，JVM 会解析常量池中的符号引用。常量池存储了类的所有符号引用，JVM 必须在执行相应指令之前解析它们。

我们可以通过 javap 查看这些内容：

bash 复制代码

javap -verbose HelloWorld

这将显示常量池：

plaintext 复制代码

Constant pool:
   #1 = Methodref          #2.#3          // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Class              #4             // java/lang/Object
   #3 = NameAndType        #5:#6          // "<init>":()V
   #7 = Fieldref           #8.#9          // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
  #13 = String             #14            // Hello World

构造函数的字节码并不直接包含地址。它引用了常量池中的符号条目（例如 #1），这些条目描述了方法和字段。在解析阶段，JVM 将这些符号条目转换为可执行的真实内存引用：

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public HelloWorld();
    descriptor: ()V
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 2: 0
        line 4: 4

第 1 行的 invokespecial 指令引用了常量池条目 #1，它提供了链接到 java.lang.Object 构造函数所需的信息。<init> 表示这是由 javac 为每个构造函数自动生成的特殊方法。JVM 懒惰地执行解析，仅在尝试执行类中的指令时触发。并非所有加载的类都会执行其指令。

3.6 类初始化

类初始化会为静态字段赋值并执行静态初始化器。这与实例初始化（发生在调用构造函数时）不同。clinit 方法由 javac 自动生成，用于处理类初始化。

4. 优化 JVM 启动性能

尽管 JVM 的启动已经很高效，但仍有改进空间。以下是一些优化建议。

4.1 类加载的影响

为了测量 JVM 启动、加载类、链接类并执行我们简单程序所需的总时间，我们可以使用系统的时间实用程序：

bash 复制代码

time java HelloWorld

这将测量从 JVM 进程启动到退出的墙钟时间，包括类加载、链接、JIT 预热和程序执行------而不仅仅是用户代码。对于 HelloWorld，JVM 在启动时大约会加载 400-450 个类。在现代硬件上，即使启用了详细日志记录，整个过程也仅需大约 60 毫秒。

4.2 莱顿计划（Project Leyden）

莱顿计划旨在缩短启动时间、缩短达到峰值性能所需的时间并减少内存占用。JDK 24 引入了 JEP 483：提前类加载和链接，它会在启动前而不是启动时执行这些操作，从而显著提升启动性能。

此功能会在训练运行期间记录 JVM 的行为，将其存储在缓存中，并在后续启动时从缓存中加载。这将取代 CDS 的过渡，并最终引入 AOT（提前编译）以更好地涵盖新功能。

4.3 JVM 标志和调优

虽然可以通过使用静态字段和初始化器来优化启动性能，但我们应该谨慎对待。大部分执行的代码来自依赖项，而不是我们自己的应用程序代码。因此，合理使用 JVM 标志（如 -XX:+UseG1GC 和 -XX:MaxMetaspaceSize）可以进一步优化性能。

5. 结论

本文深入剖析了 JVM 在启动过程中经历的复杂流程，从验证用户输入、检测系统资源到加载、链接和初始化类。即使是简单的 HelloWorld 应用程序，JVM 也会在执行代码之前准备整个运行时环境，加载数百个类。随着 Project Leyden 的 AOT 功能等改进措施的推出，启动性能将持续提升。对于开发人员而言，理解这些机制不仅有助于调试和性能优化，还能帮助我们更好地设计和优化 Java 应用程序。