前言

作為一名Java程序員，我們需要知道Java代碼是怎么運(yùn)行的。最近復(fù)習(xí)了深入理解Java虛擬機(jī)，做了一下總結(jié)，希望對(duì)大家有幫助，如果有不正確的地方，歡迎提出，感激不盡。

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java 代碼運(yùn)行主要流程

本文主要講解流程如下：

• java源文件編譯為class字節(jié)碼
• 類(lèi)加載器把字節(jié)碼加載到虛擬機(jī)的方法區(qū)。
• 運(yùn)行時(shí)創(chuàng)建對(duì)象
• 方法調(diào)用，執(zhí)行引擎解釋為機(jī)器碼
• CPU執(zhí)行指令
• 多線(xiàn)程切換上下文

編譯

我們都知道，java代碼是運(yùn)行在Java虛擬機(jī)上的。但是java是一門(mén)面向?qū)ο蟮母呒?jí)語(yǔ)言，它不僅語(yǔ)法非常復(fù)雜，抽象程度也非常高，并不能直接運(yùn)行在計(jì)算機(jī)硬件機(jī)器上。

Java虛擬機(jī)(Java Virtual Machine 簡(jiǎn)稱(chēng)JVM)是運(yùn)行所有Java程序的抽象計(jì)算機(jī)，是Java語(yǔ)言的運(yùn)行環(huán)境。

因此，在運(yùn)行Java程序之前，需要編譯器把代碼編譯成java虛擬機(jī)所能識(shí)別的指令程序，這就是Java字節(jié)碼，即class文件。

所以，Java代碼運(yùn)行的第一步是：把Java源代碼編譯成.class 字節(jié)碼文件。

類(lèi)加載

在Class文件中描述的各種信息，需要被加載到虛擬機(jī)之后才能運(yùn)行和使用。因此，需要把class字節(jié)碼文件加載到Java虛擬機(jī)來(lái)。

虛擬機(jī)把描述類(lèi)的數(shù)據(jù)從 Class 文件加載到內(nèi)存，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)、轉(zhuǎn)換解析和初始化，最終形成可以被虛擬機(jī)直接使用的 Java 類(lèi)型，這就是虛擬機(jī)的類(lèi)加載機(jī)制。

加載

在加載階段，虛擬機(jī)需要完成以下3件事情：

• 通過(guò)一個(gè)類(lèi)的全限定名來(lái)獲取定義此類(lèi)的二進(jìn)制字節(jié)流。
• 將這個(gè)字節(jié)流所代表的靜態(tài)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
• 在內(nèi)存中生成一個(gè)代表這個(gè)類(lèi)的java.lang.Class對(duì)象，作為方法區(qū)這個(gè)類(lèi)的各種數(shù)據(jù)的訪(fǎng)問(wèn)入口

加載階段完成后，這些二進(jìn)制字節(jié)流按照虛擬機(jī)所需的格式存儲(chǔ)在方法區(qū)之中。

驗(yàn)證

為了確保Class文件的字節(jié)流中包含的信息符合當(dāng)前虛擬機(jī)的要求，不會(huì)危害虛擬機(jī)的安全，Java虛擬機(jī)對(duì)輸入的字節(jié)流走驗(yàn)證過(guò)程。

驗(yàn)證階段包括四個(gè)階段：文件格式驗(yàn)證、元數(shù)據(jù)驗(yàn)證、字節(jié)碼驗(yàn)證、符號(hào)引用驗(yàn)證。

• 文件格式驗(yàn)證： 驗(yàn)證字節(jié)流是否符合Class文件格式規(guī)范，如：是否以魔數(shù)0xCAFEBABE開(kāi)頭。
• 元數(shù)據(jù)驗(yàn)證： 對(duì)字節(jié)碼描述的信息進(jìn)行語(yǔ)義分析，如：這個(gè)類(lèi)的父類(lèi)是否繼承了不允許被繼承的類(lèi)(被final修飾的類(lèi));
• 字節(jié)碼驗(yàn)證： 主要目的是通過(guò)數(shù)據(jù)流和控制流分析，確定程序語(yǔ)義是合法的、符合邏輯的。如：保證跳轉(zhuǎn)指令不會(huì)跳轉(zhuǎn)到方法體以外的字節(jié)碼指令上。
• 符號(hào)引用驗(yàn)證： 發(fā)生在虛擬機(jī)將符號(hào)引用轉(zhuǎn)化為直接引用的時(shí)候，如：校驗(yàn)符號(hào)引用中通過(guò)字符串描述的全限定名是否能找到對(duì)應(yīng)的類(lèi)。

準(zhǔn)備

準(zhǔn)備階段是正式為類(lèi)變量分配內(nèi)存并設(shè)置類(lèi)變量初始值，這些變量所使用的內(nèi)存都將在方法區(qū)中進(jìn)行分配。如：

public static int value =123; 

變量value在準(zhǔn)備階段過(guò)后的初始值是0而不是123。

解析

解析階段是虛擬機(jī)將常量池內(nèi)的符號(hào)引用替換為直接引用的過(guò)程。

比如:com.User類(lèi)引用com.Tool類(lèi)，在編譯時(shí)，User類(lèi)不知道Tool類(lèi)的實(shí)際內(nèi)存地址，因此只能使用符號(hào)com.Tool(假設(shè))來(lái)表示。而在類(lèi)加載加載User類(lèi)的時(shí)候，可以通過(guò)虛擬機(jī)獲取Tool類(lèi)的實(shí)際內(nèi)存地址，因此便可以將符號(hào)com.Tool替換為T(mén)ool類(lèi)的實(shí)際內(nèi)存地址，即直接引用地址。

解析動(dòng)作主要針對(duì)類(lèi)或接口、字段、類(lèi)方法、接口方法、方法類(lèi)型、方法句柄和調(diào)用點(diǎn)限定符 7 類(lèi)符號(hào)引用進(jìn)行。

初始化

到了初始化階段，才真正開(kāi)始執(zhí)行類(lèi)中定義的Java字節(jié)碼。在這個(gè)階段，則根據(jù)程序員通過(guò)程序制定的主觀計(jì)劃去初始化類(lèi)變量和其他資源。

創(chuàng)建對(duì)象

Java虛擬機(jī)是如何執(zhí)行字節(jié)碼的呢?我們先來(lái)看一下運(yùn)行時(shí)創(chuàng)建對(duì)象。

Java是面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，程序的運(yùn)行是以對(duì)象為調(diào)用單位的。

• 字節(jié)碼文件加載到虛擬機(jī)的方法區(qū)后，在程序運(yùn)行過(guò)程，通過(guò) class字節(jié)碼文件創(chuàng)建與其對(duì)應(yīng)的對(duì)象信息 。
• 創(chuàng)建對(duì)象的方式有：new關(guān)鍵字，反射等。
• Java堆內(nèi)存是線(xiàn)程共享的區(qū)域，創(chuàng)建后的對(duì)象信息就保存在Java堆內(nèi)存中。

方法調(diào)用

JVM的調(diào)用單位是對(duì)象，但是真正執(zhí)行功能性的代碼還是對(duì)象上的方法。

在運(yùn)行過(guò)程中，每當(dāng)調(diào)用進(jìn)入一個(gè)java方法，java虛擬機(jī)會(huì)在當(dāng)前線(xiàn)程的java方法棧中生成一個(gè)棧幀，用以存放局部變量以及字節(jié)碼的操作數(shù)。方法棧內(nèi)存是線(xiàn)程私有的，每個(gè)線(xiàn)程都有自己的方法棧。如果對(duì)應(yīng)的方法是本地方法，則對(duì)應(yīng)的就是本地方法棧。

java運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域如下：

解釋

當(dāng)調(diào)用Java對(duì)象的某個(gè)方法時(shí)，JVM執(zhí)行引擎會(huì)將該方法的字節(jié)碼文件翻譯成計(jì)算機(jī)所能識(shí)別的機(jī)器碼，機(jī)器碼信息保存在方法區(qū)中。翻譯有解釋執(zhí)行和即時(shí)編譯兩種方式。

兩種翻譯方式的區(qū)別如下：

解釋執(zhí)行

來(lái)一行代碼，解釋一行，大部分不常用的代碼，都是采用這種方式。

即使編譯

對(duì)于部分熱點(diǎn)代碼，將一個(gè)方法包含的所有字節(jié)碼翻譯成機(jī)器指令，以提高java虛擬機(jī)的運(yùn)行效率。

即時(shí)編譯是建立經(jīng)典的二八定律上，即20%代碼占據(jù)了80%的計(jì)算資源。

執(zhí)行指令

• Java程序被加載入內(nèi)存后，指令也在內(nèi)存中了。
• 指令的指令寄存器IP，指向下一條待執(zhí)行指令的地址。
• CPU的控制單元根據(jù)IP寄存器的指向，將主存中的指令裝載到指令寄存器，這些加載的指令就是一串二進(jìn)制碼，還需要譯碼器進(jìn)行解碼。
• 解碼后，如果需要獲取操作數(shù)，則從內(nèi)存中取數(shù)據(jù)，調(diào)用運(yùn)算單元進(jìn)行計(jì)算。

多線(xiàn)程上下文切換

CPU一通上電，就會(huì)周而復(fù)始從內(nèi)存中獲取指令、譯碼、執(zhí)行。

• 為了支持多任務(wù)，CPU 將執(zhí)行時(shí)間這個(gè)資源劃分成時(shí)間片，每個(gè)程序執(zhí)行一段時(shí)間。
• java虛擬機(jī)的多線(xiàn)程是通過(guò)線(xiàn)程輪流切換分配處理執(zhí)行時(shí)間的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在任何一個(gè)確定的時(shí)刻，一個(gè)處理器(對(duì)于多核處理器來(lái)說(shuō)是一個(gè)內(nèi)核)都只會(huì)執(zhí)行一條程序中的指令。
• 假設(shè)當(dāng)前線(xiàn)程在運(yùn)行中，CPU分配的時(shí)間執(zhí)行完了，總得保存運(yùn)行過(guò)的結(jié)果信息吧，要不然白白浪費(fèi)之前的工作了，因此，程序計(jì)數(shù)器(PC寄存器)作用體現(xiàn)出來(lái)了，它是一塊較小的內(nèi)存空間，線(xiàn)程私有，可以看作當(dāng)前線(xiàn)程執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器。當(dāng)CPU又給它分配時(shí)間跑的時(shí)候，可以把數(shù)據(jù)恢復(fù)，接著上一次執(zhí)行到的位置繼續(xù)執(zhí)行就可以了。