Java虚拟机启动过程探索

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

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。

到此这篇关于Java虚拟机启动过程解析的文章就介绍到这了,更多相关Java虚拟机启动内容请搜索编程学习网以前的文章希望大家以后多多支持编程学习网！