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

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。

(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。

作者:|Java知识图谱|,原文链接: https://www.cnblogs.com/javazhishitupu/p/16316869.html

文章推荐

Springboot2.x整合ElasticSearch7.x实战(一

Java开发学习(二)----IOC、DI入门案例

SpringBoot+Mybatis-Plus整合Sharding-JDBC5.1.1实现单库分...

Spring Security 中的权限注解很神奇吗?

关于区间操作查找(前缀和与差分)

ElasticSearch7.3学习(二十七)----聚合概念(bucket和metric...

容量推荐引擎:基于吞吐量和利用率的预测缩放

『忘了再学』Shell基础 — 15、环境变量(三)

使用 Vagrant 在 VirtualBox 安装 Linux 虚拟

记录一次用宝塔部署微信小程序Node.js后端接口代码的详细过...

基础设施即代码:你需要知道的一切

Centos7部署Redis集群