Java虚拟机启动过程解析

一、序言

当我们在编写Java应用的时候，很少会注意Java程序是如何被运行的，如何被操作系统管理和调度的。带着好奇心，探索一下Java虚拟机启动过程。

1、素材准备

从Java源代码、Java字节码、Java虚拟机、操作系统四个角度分解启动过程。

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

2、源代码生成字节码

利用Java环境提供的可执行命令javac将源代码编译成字节码文件，编译后的字节码文件与平台无关，可跨平台运行。注意区分javac命令是一个独立的编译应用，源代码编译完成，进程终止。java命令启动的虚拟机进程的编译过程是将字节码指令编译成汇编指令（二进制指令）。

3、虚拟机解析字节码

Java字节码无法直接在操作系统上创建进程，因此需要借助已经启动的虚拟机进程来解析字节码，处理字节码有两种常见方式：解释型和编译型。

在命令行中每运行java命令代表启动一个Java虚拟机进程，各虚拟机相互独立，通过命令行参数分别对虚拟机进程进行配置。

Java虚拟机准备启动完毕后，便可以依次解析字节码指令，正式运行Java代码部分。

4、操作系统管理虚拟机

操作系统通过进程管理和调度Java虚拟机，无法感知虚拟机间接解析Java字节码部分。Java字节码通过虚拟机的抽象，完成了在操作系统上运行。

二、Java虚拟机

当运行Java应用时，需要先安装Java环境，然而安装的Java环境与Java应用有什么关系，Java应用是如何运行起来的，下面一探究竟。

二进制可执行程序${JAVA_HOME}/bin/java是C++编写经过GCC编译器编译后形成的，探索Java虚拟机的运行原理，首先需要找到相应的源码。

当在安装Java环境时，会看到一个src.zip 压缩文件，解压后里面launcher/java.c文件便是可执行文件java命令的主要源码。

虚拟机的启动入口位于launcher/java.c的main方法，整个流程分为如下几个步骤： 配置JVM装载环境；解析虚拟机参数；设置线程栈大小；执行Java main方法

（一）配置JVM装载环境

从操作系统加载环境变量、硬件信息等运行环境信息，为后续创建JVM进程做准备。

（二）命令行参数解析

装载完JVM环境之后，需要对启动时命令行参数进行解析，该过程通过ParseArguments方法实现，并调用AddOption方法将解析完成的参数保存到JavaVMOption中。

比如常见的JavaVMOption参数在此步骤解析：

 -Xms：设置堆的初始值InitialHeapSize，也是堆的最小值； 
 -Xmx：设置堆的最大值MaxHeapSize；

JVM调优各参数解析便是在此步骤完成的。

（三）执行main方法

线程栈大小确定后，通过ContinueInNewThread方法创建新线程，并执行JavaMain函数，大概流程如下：

1、新建JVM实例

InitializeJVM方法调用InvocationFunctions的CreateJavaVM方法，即调用JVM.dll函数JNI_CreateJavaVM，新建一个JVM实例，该过程比较复杂。

2、加载入口类

通常在命令行中运行如下命令即指明入口类路径

# 直接指名入口类路径
java HelloWorld.class
# 通过包类配置入口类路径
java -jar HelloWorld.jar

3、查找main方法

通过GetStaticMethodID方法查找指定main方法名的静态方法。

4、执行main方法

通过JavaCalls::call回调执行main方法。需要注意的是，这里执行main方法不是Java语言的方法，是经过虚拟机解释（或者编译）后，操作系统能够理解的二进制可执行方法。

三、解析字节码

（一）解释字节码

1、基于栈指令集

iconst_1    将 1 放入栈顶
iconst_1    将 1 放入栈顶
iadd        将栈顶的 2 个数相加后结果放入栈顶
istore_0    将相加的结果放入局部变量表

基于栈的指令集优点是虚拟机解释器是可跨平台移植的，换句话说不同平台的虚拟机解释器代码可以复用。

2、基于寄存器指令集

mov eax,1 把 EAX 寄存器的值设为 1
add eax,1 再把这个值加 1 ，结果保存在了 EAX 寄存器

基于寄存器指令集的优点是执行速度相对于栈较快，原因是出栈入栈本身就涉及了大量的指令，而且栈是在内存中实现的，更底层的汇编指令性能更高。

基于寄存器指令集的缺点是虚拟机解释器是不可跨平台移植，需要针对不同平台的虚拟机做不同实现。考虑到不同平台已经使用不同的虚拟机程序，因此此过程多用户透明。

虚拟机通过解释器来翻译字节码文件中的指令比较顺其自然，可是对于服务器端高频执行的程序来说，中间的翻译过程相对耗时。解释字节码的方式适用于对启动性能要求高，并且执行频率较低的应用程序。

（二）编译字节码

最初，JVM 中的字节码是由解释器（ Interpreter ）完成编译的，当虚拟机发现某个方法或代码块的运行特别频繁的时候，就会把这些代码认定为热点代码。

为了提高热点代码的执行效率，在运行时，即时编译器（JIT，Just In Time）会把这些代码编译成与本地平台相关的机器码，并进行各层次的优化，然后保存到内存中。

在 HotSpot 虚拟机中，内置了两种 JIT，分别为C1 编译器和C2 编译器，这两个编译器的编译过程是不一样的。

1、C1 编译器

C1 编译器是一个简单快速的编译器，主要的关注点在于局部性的优化，适用于执行时间较短或对启动性能有要求的程序，也称为Client Compiler，例如，GUI 应用对界面启动速度就有一定要求。

2、C2 编译器

C2 编译器是为长期运行的服务器端应用程序做性能调优的编译器，适用于执行时间较长或对峰值性能有要求的程序，也称为Server Compiler，例如，服务器上长期运行的 Java 应用对稳定运行就有一定的要求。

3、分层编译

分层编译将 JVM 的执行状态分为了 5 个层次：

第 0 层：程序解释执行，默认开启性能监控功能（Profiling），如果不开启，可触发第二层编译；
第 1 层：可称为 C1 编译，将字节码编译为本地代码，进行简单、可靠的优化，不开启 Profiling；
第 2 层：也称为 C1 编译，开启 Profiling，仅执行带方法调用次数和循环回边执行次数 profiling 的 C1 编译；
第 3 层：也称为 C1 编译，执行所有带 Profiling 的 C1 编译；
第 4 层：可称为 C2 编译，也是将字节码编译为本地代码，但是会启用一些编译耗时较长的优化，甚至会根据性能监控信息进行一些不可靠的激进优化。

通常情况下，C2 的执行效率比 C1 高出30%以上。

在 Java8 中，默认开启分层编译。如果只想开启 C2，可以关闭分层编译（-XX:-TieredCompilation），如果只想用 C1，可以在打开分层编译的同时，使用参数：-XX:TieredStopAtLevel=1。

通过 java -version命令行可以查看到当前虚拟机解析字节码的方式，mixed mode表示既有解释模式也有即是编译模式。

java version "1.8.0_261"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_261-b12)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.261-b12, mixed mode)

mixed mode代表是默认的混合编译模式，除了这种模式外，我们还可以使用-Xint参数强制虚拟机运行于只有解释器的编译模式下；也可以使用参数-Xcomp强制虚拟机运行于只有 JIT 的编译模式下。

仅使用解释模式

通过命令java -Xint -version设置仅使用解释模式，interpreted mode表示解释模式。

java version "1.8.0_261"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_261-b12)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.261-b12, interpreted mode)

仅使用编译模式

通过命令java -Xcomp -version设置仅使用编译模式，compiled mode表示编译模式。在编译模式下，程序启动能感觉到明显的卡顿。

java version "1.8.0_261"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_261-b12)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.261-b12, compiled mode)

四、小结

通过对Java虚拟机启动过程的解析，特别是即时编译环节的理解，Java应用运行并不慢。当应用中热点代码普遍被编译成汇编指令（二进制可执行命令）存放于内存中时，可近似达到C语言原生程序的运行速度。

随着算力与内存成本日渐降低，通过空间复杂度置换时间复杂度的策略显然是合理的，使用Java语言编写需求万千变化的应用是第一选择：既有跨平台、内存安全、框架生态丰富的优点，也在运行效率方面积极改善，这种折中选择与市场反馈保持一致。