Java是怎么运行起来的？深入理解Java虚拟机

JAVA虚拟机（JVM）是一个运行时环境，可以执行用Java编程语言编写的程序。Java语言是一种高级语言，它通过抽象和封装的机制，让开发者可以专注于业务逻辑和功能实现，而不用关心底层的细节。因此，运行/开发Java程序时，不必深入了解Java程序的执行过程或JVM的内部原理。对于大多数开发者来说，JVM就像一个神奇的盒子，能够帮助他们实现功能和完成任务。

但是，了解JVM是如何支持Java语言和其他相关语言的，对于程序员来说是很有裨益的！

本文分享一下Java的工作原理和JVM的内部结构。

1 Java虚拟机

Java虚拟机（JVM）是一个抽象的机器，用来执行一种代码，即bytecode。你可以把它看作是我们的代码和计算机硬件之间的桥梁，它把我们的代码作为输入，转换成字节码并在计算机硬件上运行它，从而实现开发者预期的结果。

2 字节码 （bytecode）

字节码是一种JVM能够理解的文件类型。它是通过compilingJava代码（使用javac）生成的一种Java程序的中间表示形式。它之所以叫字节码，是因为每个操作码（operation）都是单字节大小的。字节码可以再次编译成机器码并在计算机上运行。

3 编译

运行Java程序的第一步是编译。如果你有一个单独的Java文件，你可以使用提供的命令行工具javac来触发编译。

javac HelloWorld.java

上面代码会把一个给定的Java文件编译成.class文件，其中包含bytecode。如果源代码有错误，编译会失败并报出编译错误。

你可以使用提供的工具javap来查看已创建的类文件，以了解类文件的内部情况。

javap HelloWorld.class

4 执行

在通过编译创建了.class文件之后，可以使用java语法来启动一个JVM的实例，它会触发一个包含多个复杂步骤的执行路径，最终执行我们提供的代码。

java HelloWorld

首先JVM需要获取.class文件，并将它加载到JVM的内存区域中。这个初始过程是通过JVM类加载器来实现的。

5 什么是类加载？

抽象地说，类加载就是扫描并遍历提供的.class文件，并将类文件中的内容加载到JVM的内存区域中。然后，执行引擎就可以引用这些存储的数据，继续执行我们的代码。

JVM中有三种类型的类加载器，分别是：

• 引导类加载器
• 扩展类加载器
• 应用类加载器

引导类加载器的职责是加载基础/核心的Java类，这些类对于Java程序运行是必不可少的。在早期的Java版本中，这些核心类被包含在位于jre/lib目录下的rt.jar文件中，但在后来的Java版本中，rt.jar中的内容被分割成模块化的组件。

扩展类加载器的职责是加载lib/ext目录下的类，这些类可能包括我们在代码中使用的任何扩展。

应用类加载器是三种中最常用的一种，它负责加载用户定义的类。它会扫描我们程序的类路径，并加载其中的类。

6 类加载过程

类加载过程有两个主要步骤：

• 加载
• 链接

7 加载

在加载过程中，类加载器读取类文件的二进制表示形式，即.class文件，并在JVM的运行时内存中创建它的表示。这个表示称为Class Object，它位于JVM内存的方法区中。

8 链接

在加载过程之后，开始链接。链接有三个步骤。

• 验证 — 确保类文件的正确性。验证类是否符合Java规范。
• 准备 — 为静态块/字段分配内存，并为静态变量赋予默认值（不是初始值！）。
• 解析 — 解析类文件中的（符号）引用。

解析

在链接的解析阶段，类加载器会解析常量池表，这是一个位于.class文件/类对象中的实体，类似于一个符号表，指定了类中的字段/方法/引用。在类文件中，对其他类的引用是以符号方式表示的，没有具体的内存地址来引用。解析会搜索JVM内存，并为那些符号引用分配具体的引用。如果在.class文件中发现了一个尚未加载的类，它会触发该类本身的加载/链接过程，这可能会导致一个递归的加载和链接过程。

在字节码加载和链接之后，类就成功地存储在JVM内存中（将在后面的部分讨论），并准备好初始化。

9 初始化

当代码中第一次用new关键字或静态字段来引用一个类，或者当程序执行时遇到一个初始化类（比如MAIn类），则会触发类文件的初始化。

在初始化阶段，执行静态块，静态变量被分配初始值。

10 运行时内存区域

在上面的段落中，多次提到了将类文件数据存储在JVM内存中。这些数据究竟存储在哪里，来作为加载/链接/初始化的结果？答案是运行时内存区域。

JVM运行时内存区域是指定的内存空间，它被划分为多个部分，用于存储执行相关/类文件相关的数据。

运行时内存区的主要区域如下：

10.1 方法区

方法区是运行时内存的一部分，用于存储与类文件相关的数据。运行时常量池、字段元数据、类元数据、方法元数据和字节码本身等都存储在方法区中。

10.2 程序计数器（PC）

程序计数器是一个小的内存区域，用于存储当前正在执行的操作的地址，这是Java程序执行的必要信息。每个线程都有自己的PC。

10.3 堆

存储所有的类/数组实例，是所有线程共享的一块内存。

10.4 JVM栈

保存局部变量和部分结果。包含栈帧。每个线程都有自己的JVM栈。

11 栈帧

当一个方法被调用时，在栈中创建一个新的帧。它会存储与该方法相关的局部变量和部分结果。如果在该方法内部调用了另一个方法，就会为新调用的方法创建一个新的栈帧。在给定线程中，一次只有一个帧是活动的。

12 执行

在上面的部分中，简要地介绍了Java源代码是如何编译并加载到JVM运行时内存区域中的。

接下来看看这些数据是如何执行的。

这部分过程是通过JVM的执行引擎来实现的，它由两个主要部分组成：（执行引擎还包括许多其他组件，但在本文中不会提及。）

• 解释器
• JIT（即时）编译器

“Java作为一种编程语言，是一种混合的解释和编译语言，也就是说Java代码既要经过编译，又要经过解释。简单来说，当类文件开始运行时，JVM会先用解释器直接执行字节码，不需要编译。这样做的主要好处是可以提高启动速度和执行速度（不用等待编译过程）。

在解释的过程中，JVM会发现代码中的热点和热区，也就是经常执行或者可以优化的代码段。这些代码段会被JIT编译器编译成本地代码，然后执行引擎会从解释模式切换到执行模式。”

这个编译过程有多个层次，称为分层编译。