深入探索剖析 JVM 的启动过程 - 指南

你可曾想过：当你在终端里敲下 java，在 main 方法真正运行之前，JVM 为了“创造一个可运行你的程序的宇宙”，到底经历了哪些步骤？从参数校验、系统资源探测，到选择垃圾回收器，再到类的加载、链接与初始化，这些看不见的过程决定了应用的启动体验与后续性能。本文用一个极简的 HelloWorld 贯穿全程，结合详细日志，一步步洞察 JVM 的启动机制，帮你在调试和性能优化时更有抓手。

1. 概览

当我们运行一个 Java 应用时，JVM 在我们的代码真正开始执行之前，会先完成一系列复杂步骤。本文将从执行 java 命令的那一刻开始，一直走到应用就绪。

我们以一个简单的 HelloWorld 程序为例，拆解每一个阶段。理解这些内部机制能显著提升调试与性能调优的效果。

2. 从 `java` 命令到 JVM 启动

在 JVM 执行任何代码之前，它需要先启动、校验输入并配置运行环境。下面按启动顺序走一遍早期流程：从调用 java 命令到初始化 JVM 运行时。

2.1. `java` 命令与初始调用

当我们运行 java 命令时，JVM 启动序列会通过 JNI 方法 JNI_CreateJavaVM() 开始执行。该方法完成若干关键初始化任务，为执行 Java 应用准备环境。Java Native Interface（JNI）是 JVM 与原生系统库之间的桥梁，使 Java 与平台特性可以双向通信。

本文将使用详细日志观察 JVM 的内部运作，例如：

java -Xlog:all=trace HelloWorldCopy

2.2. 校验用户输入

首先，JVM 会校验我们传入的参数：

[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

JVM 会验证目标可执行、类路径以及任何 JVM 参数，确保它们在继续执行前都是有效的。这个步骤能尽早捕获很多常见配置错误，避免后续阶段出现更难定位的问题。

2.3. 检测系统资源

接着，JVM 会识别可用的系统资源，例如处理器数量、内存大小以及关键系统服务：

[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.

这些信息会影响 JVM 的一些内部决策，比如默认选择哪个垃圾回收器。可用 CPU 数和总内存会直接影响 JVM 的启发式选择。不过，大多数设置都可以通过显式的 JVM 参数进行覆盖。在这个阶段，JVM 还会检查是否支持 Native Memory Tracking，并验证它可能依赖的各类操作系统工具的可用性。

2.4. 环境准备

随后，JVM 会生成 HotSpot 性能数据。这些数据会被 JConsole、VisualVM 等工具用于检查和分析 JVM：

[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

这类性能数据通常存储在系统的 /tmp 目录下，并会在启动阶段的一段时间里持续生成，与其他初始化任务并行进行。

3. 加载、链接与初始化

当 JVM 环境就绪后，它会开始为我们的程序执行做准备。

3.1. 选择垃圾回收器

在 JVM 内部，一个关键步骤是选择垃圾回收器（GC）。截至 JDK 23，默认情况下 JVM 会选择 G1 GC，除非系统可用内存少于 1792MB 和/或仅有单处理器：

[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

当然，我们也可以选择其它 GC：如 Parallel GC、ZGC 等，具体可用与默认策略依不同 JDK 版本与发行版而异。

3.2. 加载 CDS（类数据共享）

此时，JVM 会开始寻找进一步的优化机会。CDS 是一组已经经过预处理的类文件归档，可以改善 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

不过，CDS 正在被 Project Leyden 中的 AOT（提前）机制逐步替代，后文会继续讨论。

3.3. 创建方法区

JVM 随后会创建“方法区”，这是一个用于存储类数据的特殊离堆内存区域。在 HotSpot 中，这一区域被称为 metaspace。当关联的类加载器不再可达时，存储于此的类数据也会被移除：

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

虽然方法区不在堆中，但它仍由 GC 管理。

3.4. 类加载

类加载包含三个步骤：定位二进制表示、根据其派生出类、并将其加载到方法区。正是这种动态加载能力，让 Spring、Mockito 等框架可以在运行期按需生成并加载类。

类加载有两种方式：引导类加载器（bootstrap class loader）或自定义类加载器。下面借助一个简单的 HelloWorld 类，看看 JVM 首先会做什么：

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

JVM 会优先加载 java.lang.Object 及其依赖。类在初次加载时大多处于“半隐藏”的状态，以便进行必要的验证与整理工作。

再看下 java.lang.Object 的方法：

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

这些方法分别引用了 java.lang.Class 与 java.lang.String，因此它们也需要先行加载。JVM 采用“按需加载”的策略，仅在类被实际引用时才加载。不过，上述这些对 JVM 至关重要的类会被“抢先加载”。在一个简单的 HelloWorld 程序里，由 JNI_CreateJavaVM() 初始化的引导类加载器负责所有的类加载工作。

3.5. 类链接

类链接可以拆分为验证（Verification）、准备（Preparation）与解析（Resolution），其发生顺序并不固定：解析可能发生在验证之前，也可能在类初始化之后。验证确保类结构正确：

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

位于 CDS 中的类已经过验证，因此会跳过该步骤，从而提升启动性能。这是 CDS 的重要收益之一。在“准备”阶段，JVM 会用默认值初始化静态字段，没有显式初始化器的静态变量会自动获得默认值。

在“解析”阶段，JVM 会解析常量池（Constant Pool）中的符号引用。常量池保存了类的所有符号引用，JVM 必须先将其解析为真实的内存引用，才能执行相关指令。

我们可以使用 javap 来观察：

javap -verbose HelloWorldCopy

这将显示常量池的内容：

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

构造器的字节码并不直接包含地址。它引用常量池中的符号项（例如 #1），这些条目描述了方法或字段。解析阶段会将这些符号项转为可执行的真实内存引用：

public HelloWorld();descriptor: ()Vflags: (0x0001) ACC_PUBLICCode:stack=1, locals=1, args_size=10: aload_01: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."":()V4: returnLineNumberTable:line 2: 0line 4: 4

第 1 行的 invokespecial 指令引用了常量池条目 #1，其中包含链接到 java.lang.Object 构造器所需的信息。<init> 表示这是由 javac 为每个构造器自动生成的特殊方法。JVM 采用“延迟解析”，只有在尝试执行类中的某条指令时才触发解析；并非所有已加载的类都会实际执行其指令。