概述

在创建Xcode项目里面我记录了创建一个Xcode项目以开始HotSpot的过程，这篇文正就正式开始我们的debug之旅。这个旅程以“大概弄明白JVM”为目标。也就是，希望等我写完这个系列的文章之后，出去和人家吹嘘关于虚拟机的东西，能蒙住九成的Java开发。

有感于之前我读的那些阅读源码的书，都是大段的贴源码，我这里也无法避免，但是我还是希望能够尽量写得清楚明白一些。

在这之前，要先填一个坑。就是在我前面的文章里面，我虽然构建了一个test image，然而在配置的时候却是使用了fastdebug。所以在使用Xcode的时候，它提示我代码被优化了，导致看不到变量的信息，所以这一次我重新构建了一个slowdebug版本:

bash configure --enable-debug --with-jvm-variants=server --enable-dtrace
make test-image CONF_NAME=macosx-x86_64-server-slowdebug

等一切bulid好，参考前文替换掉Xcode里面的可执行目标就行了。

准备代码

为了启动我们的虚拟机，我写了一个HelloWorld，只是简单的打印输出一句话:

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

采用jdk11来进行编译，对应的语言等级也是设置在jdk11.
而后在schema里面修改执行参数：

修改执行参数

点击运行，就能输出"Hello World"了。

创建过程——猜测

现在让我们来假设一下，如果我们是JVM设计师，这个JVM在启动的时候需要做些什么事情。

内存管理

第一件想到的事情就是GC。毕竟无论是面试还是面别人，提及JVM都是要提GC的。但是GC只是内存回收，与之对应的还有内存分配。所以，这一块可以统称为JVM内存管理。
JVM必然要在启动的时候初始化内存管理相关的东西
但是这一步还太粗糙了，还可以进一步想一下，要初始化什么东西。就内存管理来说，主要就是两块，一块是内存分配，一块是垃圾回收。比如说如果用CMS，那么内存是使用空闲链表方式组织的，所以估计在JVM初始化的时候要完成这些数据结构的初始化；又比如说G1垃圾回收器，是将内存分成不同的Region进行的，这个部分估计也是在JVM初始化完成的；再比如说，谈及GC就要谈及的老年代，年轻代，metaspace，也是在这个部分初始化完成的。

到这一步，其实能够想到，内存管理是和GC息息相关的。大多数情况下，GC算法决定了内存管理的方式。

环境参数

当我们想到内存管理后，很容易想到的就是，JVM怎么知道使用哪一个GC回收器？答案当然是依赖于参数。如果我们传递了GC回收器的参数——比如使用JVM选项-XX:+UseConcMarkSweepGC指定使用CMS算法——那么就用我们指定的，如果我们什么都没传，就使用默认的。

然后如果读者读过Oracle的一些文档，比如说JDK8 Java Platform, Standard Edition HotSpot Virtual Machine Garbage Collection Tuning Guide，那么就会知道，默认GC回收器和平台有关。除此以外，比如说并行垃圾回收，或者并发垃圾回收的线程数量，其默认值也是和平台有关的。

于是我们可以确定：
JVM初始化的时候会收集平台信息，收集用户传递的参数
这个东西，我觉得称为创建运行环境（Context）或许更加合适一点。

预加载类

我想到的第三件事，是类加载。Java有一些类，比如说String这种类，并不是在你第一次使用的地方被加载的，而是无论你是否使用，它都会被预先加载好。而且，如果考虑到类的元数据是放在metaspace里面的，那么就意味着内存的初始化要先于这个类加载。

指令的汇编代码

这个就有点神秘了。我觉得一般人估计都不知道。JVM的指令，在早期版本（大概是1.4以前？？）是直接使用C程序来解释执行的。后来出于性能的考虑，使用汇编编写了每一个指令执行的程序。

那么很显然，这些指令的汇编代码需要在指令执行之前被加载到内存特定的位置。很显然，这个部分应该也是在内存模块初始化完成之后进行的。

小结

经过前面的猜测，或者说思考，我们大概能领悟到一句没用的废话：
JVM的初始化过程，就是为了Java程序的执行而做好准备

所以我们在阅读源码的时候，就要搞清楚，这些源码究竟初始化了什么，为什么要这样，它会对Java程序的执行造成什么影响。

因此我不希望讨论太多的实现细节，我一直秉持的理念，在不做JVM开发的情况下，了解太多的细节实属没必要。与之比起来，理解JVM的设计更加有意义一点。

创建过程

JVM的真正创建入口，是在jni.cpp的static jint JNI_CreateJavaVM_inner(JavaVM **vm, void **penv, void *args)static jint JNI_CreateJavaVM_inner(JavaVM **vm, void **penv, void *args)方法中。

在该方法中，调用了一个Threads::create_vm方法。这个方法的实现在thread.cpp。基本上，这个方法就告诉了我们做了一些什么事情。

虽然我很想贴一串代码，但是这玩意儿太长了，四百行。然后我突然也觉得，所谓的规范就是拿来打破的。我建议大家打开这一段源码对照着往下读，不然的话，十秒以后你就可能右上角叉掉这个页面了。

我捋了一下这个方法的大概逻辑：

1. 首先检测一下系统支不支持这个版本的JVM，毕竟JVM的运行对基本的硬件资源还是有点小要求的。最开始我以为这里check的是JDK版本和JVM的兼容性，后来发现并不是，它check的是平台和JVM的兼容性；
2. 初始化一下TLS(Thread-Local-Storage），我感觉是TLS作为线程应该具备的基础能力，应该尽可能提早初始化；
3. 初始化一下输入输出的stream，然后加载launcher的属性，初始化一下os模块；
4. 初始化JDK版本，这个东西将影响后面的系统参数。我举例来说，不同的JDK版本的默认GC是不同的。所以JDK版本要先初始化，后面加载系统参数的时候才好决定默认值是什么；
5. 初始化一下log。大家都懂的，debug用的；
6. 加载系统参数，一大堆；
7. 初始化Ergonomics的东西。Ergonomics是一个很玄学的名词，我不知道对应的中文翻译应该是什么。有些朋友可能知道，这玩意儿和GC息息相关，在garbage collection tuning guide里面有专门的一章讲这个东西。这个东西大概就是影响GC、堆的默认设置，还有根据设置的最大停顿时间以及吞吐量目标，搞点自适应的东西，以后我再来谈谈这个鬼东西；
8. 再一次初始化os模块，这是一个很有意思的东西，后面解释，为什么要分两次来初始化。我这里可以大概说一下，在这个步骤之前的初始化，是依赖于os模块的，比如说Ergonomics那个部分就会涉及到内存页大小的东西，所以它要先初始化一下；但是呢，这就又有一个神奇的东西，就是os模块还和一些系统参数有关，系统参数又依赖于os模块。这就有意思了，所以JVM的设计者索性分成两次来初始化，先初始化一波独立的无依赖的os模块部分，等前面一大波都初始化之后，再次初始化一下。这一次初始化之后os模块就和jni版本，jdk版本很契合了；
9. 初始化一下safe point机制。safe point也是一个神奇的东西，大家可以读一下JVM源码分析之安全点safepoint。我来一个简单明了的解释，不保证严谨，但是能让大家有个概念。safe point这个东西，假如你是一个幼儿园老师，现在一大堆的小屁孩（线程）在疯狂打闹，瞎jb乱搞，你想让他们停下来听你讲课，或者让他们停下来午休，于是你就大吼一生，那群熊孩子被你吓了一跳之后，就停下来了，老老实实坐到座位上，听你安排。这个时候，就是进入一个safe point了；
10. 处理点什么Xrun和agent的东西，暂时可以忽略（毕竟我也还不懂这个是什么东西）；
11. 初始化线程的东西；
12. 这个就是重头戏了，初始化全局数据结构和system class。因为它实在太硬核了，我得把这个方法写出来:vm_init_globals
13. 处理main thread的一大堆东西。就到现在为止，我们讨论的东西都还是系统层面上的东西，还没到Java应用层面上的东西。这个部分就是将两者结合起来，一个非常关键的点；
14. 初始化JVM的同步机制，也就是Java的Object Monitor机制。一些同学可能看不懂，记住Java的synchronize关键字的实现，关键初始化就发生在这一步。嗯，这个初始化方法叫做ObjectMonitor::Initialize()
15. 初始化全局模块。这个方法是init_globals()。其实现在init.cpp里面。这个东西有多重要呢？我将这个方法做的部分事情列举一下：字节码初始化、类加载器初始化、JIT编译策略初始化、代码缓存初始化、解释器初始化...可以说，和Java代码执行的大部分事情，基本上都在这里初始化。读懂这个东西，初始化过程就读懂一半了。我的感觉就是，你可以不知道女朋友喜欢什么色号的口红，但是应该知道这个方法搞了什么。
16. 创建VM线程并且等其就绪。要知道，JVM线程大概就分两类，一类是为了维系JVM自身的线程，如GC线程什么的；另一类就是我们在Java代码里面显式创建的线程。这部分就是前一类线程初始化的地方；
17. 处理一些JVMTI的东西。JVMTI全称是JVM Tool Interface，大概就是提供了一些接口给程序员去搞什么调试分析JVM，等我有时间了去试试；
18. 初始化java lang class。主要就是加载了Java lang包下的一些类。比如说臭名昭著的OOM异常就是在这里加载的。可以参考vmSymbols.hpp；
19. 初始化Java native interface的东西，主要就是处理了一下类型问题；
20. 标记JVM初始化完成，然而后面还有一大堆东西；
21. 这个步骤很有意思，初始化signal dispatcher。这是将操作系统层面的signal和jdk结合起来的关键点；
22. JIT编译器初始化，注意和init_globals()里面的JIT编译策略初始化相区别；
23. 预先加载一些JSR292里的类，为了避免死锁；
24. 初始化模块系统，这是JDK9加入的特性；
25. 一大堆的JVMTI生命周期的通知，如enter_start_phase，post_vm_start等；
26. 系统初始化的最后一部分，包括system class loader, security manager之类的东西；
27. 如果设置了一些诸如内存分析（mem profile）之类的东西，那么就初始化。这个部分可以理解为初始化一些和JVM profile相关的东西；
28. BiasedLocking::init()。这个重要性不言而喻，偏向锁可以说是Java锁机制里面最重要的东西了；
29. 处理一点扫尾的事情，然后创建结束。

总结

我对比了一下上面的29条和我猜测的那四个部分，不得不承认，在JVM方面我还是一个小菜鸡。我只才到了其中的一点点。

不过那29条实在太多了，太长了，根本记不住，所以我再压缩一下，毕竟“太长不读”也是时代特点了。

我来一个简易版本：

1. 加载环境参数，校验环境合法性；
2. 初始化JVM对外暴露的一些接口，如JVMTI, Agent，然后在初始化的过程中暴露一下JVM创建到哪个步骤了；
3. 初始化JVM的类加载机制，同步机制，锁机制，顺便加载一下JVM规范要求先加载的类；
4. 初始化一下字节码执行的东西，如代码缓存，JIT之类的；
5. 初始化内存管理相关，包括GC的东西；
6. 处理杂务。如log，profile之类的东西；

我表示，能读到这里的都是真汉子。欢迎关注我的公众号:

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