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通过 HelloWorld 深入剖析 JVM 启动过程

news 2025/11/12 5:03:42

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
- 1. 概述
- 2. 从 Java 命令到 JVM 启动
- - 2.1 Java 命令与初始调用
  - 2.2 参数验证
  - 2.3 系统资源检测
  - 2.4 环境准备
- 3. 加载、链接和初始化
- - 3.1 垃圾回收器选择
  - 3.2 缓存数据存储加载
  - 3.3 创建方法区
  - 3.4 类加载
  - 3.5 类链接
  - 3.6 类初始化
- 4. 优化 JVM 启动性能
- - 4.1 类加载的影响
  - 4.2 莱顿计划（Project Leyden）
  - 4.3 JVM 标志和调优
- 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。深入理解这些步骤可以显著提升我们在调试和性能调优方面的效率。

2. 从 Java 命令到 JVM 启动

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。JNI（Java Native Interface）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。

java -Xlog:all=trace HelloWorld

2.2 参数验证

JVM 会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。

[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。

[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。

[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

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。

[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。

[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。

[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。

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

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。

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

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。

4. 优化 JVM 启动性能

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。

time java HelloWorld

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。

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。

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