Java基础：Java运行原理

迷南。 2024-03-27 14:24 85阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  一、Java运行原理
 *  二、Java虚拟机
 *   *  2.1JVM概念
     *  2.2JVM体系结构
     *   *  2.2.1Class Loader：类装载器
         *  2.2.2 执行引擎
         *  2.2.3 运行时数据区
 *  三、Java线程
 *  四、Java方法调用
 *  五、Java字节码执行

## 一、Java运行原理 ##

**我们都知道，机器只能识别0和1，那么程序是如何在机器上运行的呢？**

当我们在IDEA等开发工具上编写Java代码，经过构建（ `javac.exe` 编译）后，会生成字节码文件（`.class`文件），但是还是不能在机器上运行。

`javac命令`会执行程序入口`main`主方法，**第一步创建JVM\`、第二步加载class文件及解析内容、第三步执行方法**。创建JVM，就是校验启动参数、计算线程栈大小堆大小、创建主线程等准备JVM环境；

这时候，`Java虚拟机（JVM）`会执行加载这个字节码文件，解释成机器可以理解的二进制指令，达到程序运行在机器上的目的。

加载和解析class文件，就是类加载器加载class文件，解析里面的字段方法常量池封装成Klass对象。执行方法就是字节码指令的执行， 组成执行环境的核心部分就是运行时数据区：**Java栈、 JAVA堆、元空间（JDK8以下是永久代上面的实现方法区）、本地方法栈、PC寄存器（程序计数器）**。

Java虚拟机，实现了Java跨平台的特性，因为Java源文件（`.java文件`）编译后的字节码文件，无论是哪个系统上，只要是有Java虚拟机在，就能把这个字节码文件解释成对应系统的二进制文件。

Java虚拟机可以理解为一个以字节码为机器的`CPU`。

进程的基本单位是线程，java程序运行就是java线程的执行。从计算器角度看就是操作系统调度执行java线程，送PC寄存器地址上的指令到CPU执行，以及在内存分配空间缓存数据。其中内存分配相关的是线程执行在栈上面创建栈帧执行方法和在堆上面创建对象，方法执行完栈帧销毁内存释放，而堆上面内存通过GC释放。

## 二、Java虚拟机 ##

### 2.1JVM概念 ###

`Java Virtual Machine`， 是一个虚构出来的计算机，通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。JVM有自己完善的硬件架构，如处理器、堆栈、寄存器等，还具有相应的指令系统。JVM 的主要工作是解释自己的指令集（即字节码）并映射到本地的 CPU 的指令集或 OS 的系统调用。

### 2.2JVM体系结构 ###

*  **Class Loader：类装载器**，从入口处开始按需加载.class文件，填充这些数据到运行时数据区。
 *  **Execution Engine：执行引擎**，JVM的CPU，不断地取指令，JIT编译翻译执行字节码，或者执行本地方法 。
 *  **Runtime Data Areas：运行时数据区**，核心区，运行的时候操作所分配的内存区，包括方法区、堆、java栈、PC寄存器、本地方法栈。

#### 2.2.1Class Loader：类装载器 ####

类加载器加载其实就是根据编译后的Class文件，将Java字节码载入JVM内存，并完成对运行数据处于的初始化工作，供执行引擎执行。

**类加载过程：**

装载 ——> 链接（验证，准备，解析）——> 初始化

Loading ： 找到二进制字节码（Class文件）并加载至JVM内存中，标识一个被加载的类：类名+类所在的包名+Class Loader instance ID 。

Linking：

*  Verifying：验证元数据，文件格式，字节码等，确保class文件包含的字节码信息符合JVM的规范，以免危及JVM安全；
 *  Preparing：准备分配给类所需要内存的数据结构，指示在类中定义的字段、方法和接口；
 *  Resolving：对类中的所有属性、方法进行验证，以确保其需要调用的属性、方法存在，以及具备应的权限；符号引用的转换等。

Initialing： 初始化执行类中的静态初始化代码、构造器代码以及静态属性 。

**类装载器类型：**

启动类装载器：JVM实现的一部分；

用户自定义类装载器：是Java程序的一部分，必须是ClassLoader类的子类。

**类装载顺序：**

Jvm启动时，由Bootstrap向User-Defined方向加载类；应用进行Class Loader时，由User-Defined向Bootstrap方向查找并加载类；

类加载采用父类委托制，子加载器能查询父加载器已缓存类，委托只能从下到上，反之不行。类加载器可以加载一个类，但是它不能卸载一个类。但是类加载器可以被删除或者被创建。一个类可以被不同的类加载器加载。

*  Bootstrap ClassLoader

JVM的根ClassLoader，它是用C++实现的，在JVM启动的时候创建，负责装载$JAVA\_HOME中jre/lib/rt.jar（Sun JDK的实现）中所有class文件，这个jar中包含了Java规范定义的所有接口以及实现。

*  Extension ClassLoader

装载除了基本的Java API以外的扩展类，它也负责装载其他的安全扩展功能。

*  System ClassLoader

负责加载应用程序类，加载启动参数中指定的Classpath中的jar包以及目录，在Sun JDK中ClassLoader对应的类名为AppClassLoader。

*  User-Defined ClassLoader

Java开发人员继承ClassLoader抽象类自行实现的ClassLoader，基于自定义的ClassLoader可用于加载非Classpath中的jar以及目录。

#### 2.2.2 执行引擎 ####

类加载器将`.class文件`载入内存之后，执行引擎以Java 字节码指令为单元，读取Java字节码；而后由解释器或者即时编译器（JIT Compiler）将字节码转化成平台相关的机器码。

**JVM实现技术：**

**解释器：** 第一代JVM，一条一条地读取，解释并且执行字节码指令。因为它一条一条地解释和执行指令，所以它可以很快地解释字节码，但是执行起来会比较慢。这是解释执行的语言的一个缺点。字节码这种“语言”基本来说是解释执行的。

**即时编译器（just-in-time compiler）：** 第二代JVM，狭义来说是当某段代码即将第一次被执行时进行编译，将class类文件解释成二进制文件后的结果缓存下来，当第二次执行时直接从缓存中取，因此JIT依赖更多内存缓存解释的结果。JIT编译是动态编译的一种特例。JIT编译一词后来被泛化，时常与动态编译等价；但要注意宽泛与狭义的JIT编译所指的区别。

**自适应编译器（adaptive compiler）：** 柔和第一代和第二代JVM，也是动态编译的一种，但它通常执行的时机比JIT编译迟，先让程序“以某种形式”先运行起来，收集一些信息之后再做动态编译，也就是说在所有执行过的代码里只寻找一部分来编译；而”收集信息”决定了编译哪部分代码，换个角度说“收集信息”就是在程序运行过程中监控代码执行的频率，自动缓存利用率高的代码，这样的编译可以更加优化。这个”某种形式”可以称为“baseline execution“，可以由解释器或简单的JIT编译器承担。

`HotSpot`是一个JVM的实现，得名于它得混合模式执行引擎（包括解释器和自适应编译器），这个JVM最初由Longview/Animorphic实现，随着公司被Sun/JavaSoft收购而成为Sun的JVM，并于JDK 1.3.0开始成为Sun的Java SE的主要JVM。在Sun被Oracle收购后，现在HotSpot VM是Oracle的Java SE的主要JVM。HotSpot是较新的JVM，用来代替JIT(Just in Time)， Java原先是把源代码编译为字节码在虚拟机执行，这样执行速度较慢；而HotSpot将最需要编译的“热点”代码编译为本地(原生native)代码，如果已经被编译成本地代码的字节码不再被频繁调用了，那么Hotspot VM会把编译过的本地代码从cache里移除，并且重新按照解释的方式来执行它，这样显着提高了性能。 HotSpot VM 参数可以分为规则参数(standard options)和非规则参数(non-standard options)。Hotspot VM分为Server VM和Client VM两种，这两种VM使用不同的JIT编译器。

#### 2.2.3 运行时数据区 ####

当运行一个JVM Instance时，系统将分配给它一块内存区域（大小可设置），这一内存区域由JVM自行管理。从这一块内存中分出一块用来存储一些运行数据，例如创建的对象，传递给方法的参数，局部变量，返回值等等。这一块内存就称为**运行数据区域** 。运行数据区域可以划分为6大块：**Java栈、程序计数寄存器（PC寄存器）、本地方法栈（Native Method Stack）、Java堆、方法区域（包括运行常量池——Runtime Constant Pool）** 。其中每个线程私有程序计数器，JVM栈，本地方法栈，方法区和堆则由JVM实例中的所有线程共享，在同一个实例中可以启用多个线程。

**程序计数器**

每个线程私有，线程启动时创建，用来存放当前正在被执行的字节码指令（JVM指令）的地址，如该方法为native的，则PC寄存器中不存储任何信息。

**JVM栈**

每个线程私有，线程启动时创建。存放着一系列的栈帧（Stack Frame），JVM只能进行压入（push）和弹出（pop）栈帧这两种操作。每当调用一个方法时，JVM就往栈里压入一个栈帧，方法结束返回时弹出栈帧。如果方法执行时出现异常，可用printStackTrace等方法来查看栈的情况。栈的示意图如下：

每个栈帧包含三个部分：本地变量数组，操作数栈，方法所属类的常量池引用

*  Local Variable Array：从0开始按顺序存放方法所属对象的引用、传递给方法的参数、局部变量。
 *  Operand Stack：存放方法执行时的一些中间变量，JVM在执行方法时压入或者弹出这些变量。其实，操作数栈是方法真正工作的地方，执行方法时，局部变量数组与操作数栈根据方法定义进行数据交换。
 *  Reference to Constant Pool：当JVM执行到需要常量池的数据时，就是通过这个引用来访问常量池的。栈帧中的数据还要负责处理方法的返回和异常。如果通过return返回，则将该方法的栈帧从Java栈中弹出。如果方法有返回值，则将返回值压入到调用该方法的方法的操作数栈中。另外，数据区中还保存中该方法可能的异常表的引用。

**本地方法栈**

当程序通过JNI（Java Native Interface）调用本地方法（如C或者C++代码）时，就根据本地方法的语言类型建立相应的栈，此区域用于存储每个native方法调用的状态。

**堆（Heap）**

堆中存放的是程序创建的对象实例以及数组值的区域，可以认为Java中所有通过new创建的对象的内存都在此分配。当堆中的空间无法满足新建对象所需的内存开销，会有溢出现象而导致程序崩溃，为了避免溢出，当对象执行结束时，其占据的内存空间需要等待GC（Garbage Collection）进行回收，因此这个区域对JVM的性能影响很大。

## 三、Java线程 ##

运行main方法就会创建一个主线程，操作系统调度执行main线程。显式new Thread()创建Java线程也是一样，交由操作系统调度。  
java中启动一个线程，操作系统也创建一个线程，两个关联起来，所以java线程实际是操作系统的线程。

只不过java线程状态有自己一套语法语义调度规则，和操作系统线程有点区别。创建一个java线程，也创建线程独享几个部分：PC寄存器、本地方法栈、Java线程栈。

## 四、Java方法调用 ##

一个方法被调用就会在java线程栈上创建栈帧，栈帧里面有局部变量表，操作数栈、方法出口、动态链接等，根据字节码指令操作局部变量表、操作数栈。PC寄存器则指向下一条待执行指令的地址，可以是本地指针或方法区中相对应于该方法起始指令的偏移量。本地方法栈则是保存native方法进入区域的地址。PC寄存器、本地方法栈、Java线程栈共同保障了方法正常执行。

常用的class字节码指令比如，load指令是将局部变量表转载到操作数栈中，aload表示引用类型，java基本类型int是 iload float是fload等等。store指令是将栈顶值保存到局部变量表中，同样astore表示引用类型，java基本类型int是istore float是fstore等等。方法调用指令是invokespecial、invokevirtual等。方法返回指令是ireturn、areturn等。  
class字节码指令解释参考[https://www.cnblogs.com/longjee/p/8675771.html][https_www.cnblogs.com_longjee_p_8675771.html]

main方法调用是上面java.c的CallStaticVoidMethod方法调用，以上的代码都是在jdk中，而CallStaticVoidMethod方法就调到了JVM代码。hotspot的src/share/vm/prims/jni.cpp中jni\_CallStaticVoidMethod方法

jni\_CallStaticVoidMethod再调jni\_invoke\_static方法

获取方法、参数然后调JavaCalls::call()

核心调用是 StubRoutines::call\_stub()。通过指针调用目标函数，这个函数指针指向什么地方呢。这个在前面提到的创建JVM时其中一步init\_globals方法，init.cpp中init\_globals其中一步stubRoutines\_init1();这个就是生成目标函数地址。这是和CPU架构有关的，因为为了加快执行速度直接操作寄存器，而32位与64位CPU的寄存器不一样。

## 五、Java字节码执行 ##

java代码经过javac.exe编译成class字节码，字节码进过java.exe解释执行，这个过程就是把java字节码中的指令逐步执行，实现由汇编和C++混合，与上面通过调用目标函数执行java方法不同，这里用的是字节码模板，也是创建JVM时初始化的，init.cpp中init\_globals()方法一步interpreter\_init()。

[https_www.cnblogs.com_longjee_p_8675771.html]: https://links.jianshu.com/go?to=https%3A%2F%2Fwww.cnblogs.com%2Flongjee%2Fp%2F8675771.html