Java --- JVM编译运行过程

目录

一.Java编译与执行流程：

二.编译过程：

1.编译器（javac）：

2.字节码文件（.class）：

三.执行过程：

1.启动JVM（Java虚拟机）：

2.类加载：        

 3.字节码执行：

4.JVM内存模型：

5.垃圾回收（GC）：

6. Java运行时的执行引擎：

Java是将代码编译成一种“字节码”，它类似于抽象的CPU指令，然后针对不同平台编写虚拟机，不同平台的虚拟机负责加载字节码并执行，这样就实现了“一次编写，到处运行”的效果。当然，这是针对Java开发者而言。对于虚拟机，需要为每个平台分别开发。为了保证不同平台、不同公司开发的虚拟机都能正确执行Java字节码，SUN公司制定了一系列的Java虚拟机规范。从实践的角度看，JVM的兼容性做得非常好，低版本的Java字节码完全可以正常运行在高版本的JVM上。 

Java源码本质上是一个文本文件，我们需要先用javac把Hello.java编译成字节码文件Hello.class，然后，用java命令执行这个字节码文件：

因此，可执行文件javac是编译器，而可执行文件java就是虚拟机。

Java程序的编译和运行涉及到多个阶段和不同的组件，最重要的是Java虚拟机（JVM）的角色，它在程序运行时负责执行字节码。理解Java程序的编译、运行流程及其如何与JVM交互是掌握Java开发的基础。 

一.Java编译与执行流程：

1. 由开发者编写.java源代码文件。
2. Java编译器（javac）将.java源代码文件编译成字节码文件（.class），字节码文件包含平台无关的指令，JVM能够理解并执行这些指令。
3. JVM通过类加载器（ClassLoader）加载 .class 文件。
4. 字节码被JVM解释执行，或者通过JIT（即时编译器）转化为本地机器代码。（将字节码转换为机器码，从而提高程序的执行效率）
5. JVM根据需求进行垃圾回收，自动管理内存以及回收不再使用的对象。

二.编译过程：

当我们编写Java程序并运行javac命令时，Java编译器将源代码（.java文件）编译成字节码（.class文件）。字节码并不是针对某个特定机器的机器码，而是与平台无关的中间代码。这是Java的跨平台性（"Write Once, Run Anywhere"）的关键所在。字节码并没有直接针对硬件或操作系统进行优化，因此它不能直接被CPU执行。 

Java程序首先由Java编译器（javac）编译成字节码（字节码文件（.class文件）是与平台无关的指令，而JVM可以理解并执行）。这个过程包括：

• 语法分析（Parsing）：将源代码（.java文件）转换为抽象语法树（AST）。
• 符号解析（Symbol Resolution）：通过符号表解析类、方法、变量的名称等。
• 字节码生成（Bytecode Generation）：将抽象语法树转换为字节码指令，生成 .class 文件。

javac HelloWorld.java

编译后会生成一个字节码文件 HelloWorld.class。这个文件包含了Java源代码的字节码，JVM可以加载并执行它。

三.执行过程：

1.启动JVM（Java虚拟机）：

JVM的执行由Java启动类（通常是java命令）来启动。

java HelloWorld

java命令启动JVM并传递应用程序的主类（HelloWorld）给JVM。

2.类加载：        

当我们运行Java程序时，JVM会使用类加载器（ClassLoader）加载.class文件。JVM并不会直接执行.class文件，而是解析并执行其字节码。JVM将字节码转化为机器码后执行。 

JVM使用类加载器（ClassLoader）加载 .class文件。加载过程包括以下几个步骤：

1. 加载：从文件系统、网络、或者其他位置加载字节码文件。
2. 链接：包括验证（确保字节码格式正确）、准备（为类变量分配内存）和解析（解析符号引用）。
3. 初始化：执行类的静态初始化块（static块）和静态变量的初始化。

JVM有三种主要的类加载器：

• Bootstrap ClassLoader：负责加载核心类库，如rt.jar中的类。
• Extension ClassLoader：加载Java扩展库（如ext目录中的库）。
• Application ClassLoader：负责加载应用程序类路径下的类。

 3.字节码执行：

一旦类被加载，JVM会执行字节码。

执行字节码方式：

• 解释执行：

  • JVM中的解释器逐条解释字节码指令，并将其翻译成机器码执行。
  • 这种方式灵活但较慢，因为每条指令都需要在每次执行时解释一次。

• JIT编译（即时编译）：

  • JIT编译器会在程序运行时，动态地将热点代码（频繁执行的代码）编译成机器码。
  • JIT优化性能，将程序中的热路径（经常执行的代码）编译为本地机器代码，以避免每次执行时都需要解释。（机器码是与硬件相关的，并且执行速度更快。）
  • 即时编译器（JIT）是JVM的一部分，它在程序运行时将热点代码（频繁执行的部分）从字节码转换成机器码，并将这些机器码存储在内存中以便后续直接执行。JIT编译通常会选择一些最常调用的代码块进行编译，从而优化程序的执行速度。
  • JIT能够根据程序的实际运行情况进行优化（如内联、死代码消除等），进一步提高性能。

.class文件内容：

• 常量池（Constant Pool）：存储了类、方法、字段等的引用。
• 字段表（Field Table）：包含了类中所有字段的定义。
• 方法表（Method Table）：包含了类中所有方法的定义。
• 字节码：具体的指令集，表示类中的方法的操作步骤。

JVM执行这些指令时会根据当前系统平台生成机器代码。字节码指令类似于汇编语言，但它们并非直接执行，而是由JVM的解释器或JIT（即时编译器）执行。

字节码与机器码的区别：

• 字节码：Java源代码通过javac编译器编译后生成的中间代码，平台无关，能够在任何安装了JVM的操作系统上运行。字节码是一种虚拟机指令，JVM根据这些指令执行程序的逻辑。

• 机器码：是特定硬件平台能够直接理解和执行的指令集。每种硬件平台（如x86、ARM等）都有其专用的机器码格式。因此，机器码是与硬件相关的，并且执行速度更快。

字节码到机器码：

• 字节码是一种平台无关的中间代码，它不能直接由硬件执行。
• JIT编译是JVM将字节码转换为平台特定的机器码的过程。通过将热点代码编译为机器码，JIT提高了Java程序的执行性能。
• 解释执行和JIT编译是JVM在字节码执行中的两种主要方式，JIT会根据代码的执行频率将热点代码编译为机器码，避免了每次执行时都进行字节码解释。
• JIT优化（如方法内联、死代码消除、常量折叠等）可以进一步提升性能。

字节码转机器码的过程通过JIT技术优化了Java程序的性能，使得Java在保持平台无关性的同时，也能够接近本地代码的执行效率。

4.JVM内存模型：

JVM（Java Virtual Machine，Java虚拟机）内存模型是 Java 程序运行时内存的管理方式，它决定了 JVM 如何管理堆、栈、方法区、程序计数器等内存区域。理解 JVM 内存模型对于优化 Java 程序的性能、调试和分析内存泄漏非常重要。 

JVM在程序运行时管理内存，包括以下几个主要区域：

1. 堆（Heap）：堆是 Java 程序运行时动态分配内存的地方，用于存储对象实例。所有通过 new 关键字创建的对象和数组都存储在堆内存中。堆的管理与垃圾回收（GC）紧密相关。
   堆内存是 JVM 中最大的内存区域，是所有线程共享的。堆中的内存分配由垃圾回收器管理，通过垃圾回收来回收不再使用的对象。堆内存一般划分为新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation）两部分，后者存储长期存在的对象，前者用于存储新创建的对象。

2. 方法区（Method Area）：存储类的元数据（如类名、方法信息、字段信息等），以及静态变量。
   在JDK 1.7 之前，方法区被称为永久代（PermGen），但从 JDK 1.8 开始，它被移至了元空间（Metaspace）。

3. 栈（Stack）：Java栈用于存储方法的局部变量、操作数栈、动态链接和方法返回地址等信息。
   每当一个方法被调用时，JVM 会为该方法分配一个栈帧，每个栈帧包含以下内容：
   （1）局部变量表：存储方法中的局部变量（基本数据类型、对象引用、返回地址等）。
   （2）操作数栈：用于存储操作过程中的临时数据。
   （3）动态链接：为方法的调用提供符号引用。
   （4）方法返回地址：当方法调用结束时返回到的地址。
   Java 栈是线程私有的，每个线程在栈内有自己的栈空间。每个方法在栈中都有一个对应的栈帧，当方法执行完毕后，栈帧会被销毁。栈空间的大小是有限的，过多的递归调用或方法调用会导致 StackOverflowError。

4. 程序计数器（PC Register）：程序计数器是一块较小的内存空间，用来记录当前线程执行的字节码的地址。每个线程都有自己的程序计数器，线程之间的执行是独立的，因此它们的程序计数器也是各自独立的。
   （为什么要有这个程序计数器？为了方便线程切换，Java程序是多线程的，如果有一个优先级比当前线程优先级高，这个时候挂起优先级低的线程然后调用高优先级的线程，当高优先级线程执行完成之后，就会根据程序计数器的值进行恢复低优先级线程的执行）在 Java 虚拟机中，程序计数器用于追踪当前线程执行的字节码指令的位置，当线程切换时，程序计数器会保存每个线程当前指令的位置，线程恢复时可以继续执行。

5. 本地方法栈（Native Method Stack）：专主要用于处理 JVM 调用 Native 方法时的栈空间。Native 方法是使用其他语言（如 C 或 C++）编写的，JVM 会通过本地方法栈来执行这些方法。
   与 Java 栈类似，本地方法栈是线程私有的。它存储本地方法调用的相关信息，比如栈帧和局部变量等。

6. 运行时常量池（Runtime Constant Pool）：常量池存储类中定义的常量（如字符串字面量、类常量等）。它是方法区的一部分，用于存储编译时生成的常量，它会在类加载到 JVM 时被初始化，并保存在方法区中。

7. 直接内存（Direct Memory）：直接内存并不是 JVM 运行时内存的一部分，而是通过 sun.misc.Unsafe 类直接访问物理内存的一块区域。它通常用于高效的数据交换，或者通过 NIO（New IO）进行文件和网络操作。
   直接内存不受 JVM 堆内存限制，但它依赖于操作系统的内存管理，并且如果使用不当可能导致内存泄漏或访问冲突，因此它较少用于一般开发中。

5.垃圾回收（GC）：

Java的垃圾回收机制自动回收不再使用的对象，释放内存。JVM通过GC（垃圾回收）来管理堆内存，减少内存泄漏的风险。

GC的过程包括：

• 标记（Mark）：标记所有被引用的对象。
• 清除（Sweep）：删除所有没有被标记的对象。
• 压缩（Compact）：整理内存，确保内存空间连续。

常见的垃圾回收算法包括标记-清除、标记-整理、复制算法等。

6. Java运行时的执行引擎：

JVM的执行引擎负责执行字节码指令，有两种主要的执行方式：

1. 解释器（Interpreter）：

   • 解释器逐条解释并执行字节码。
   • 每次执行时都要将字节码解释成机器码，因此效率较低。

2. JIT编译器（Just-In-Time Compiler）：

   • JIT编译器在程序运行时，检测到热点代码并将其编译为机器码。
   • 热点代码会直接使用机器码执行，避免了每次解释执行。
   • JIT编译器提高了程序的执行速度，尤其是在大量重复执行的代码路径上。