作者 | Alan
來源 | cnblogs.com/wangjiming/p/10455993.html
對于任何一門語言，要想達(dá)到精通的水平，研究它的執(zhí)行原理(或者叫底層機(jī)制)不失為一種良好的方式。
在本篇文章中，將重點(diǎn)研究JAVA源代碼的執(zhí)行原理，即從程序員編寫JAVA源代碼，到最終形成產(chǎn)品，在整個(gè)過程中，都經(jīng)歷了什么？每一步又是怎么執(zhí)行的？執(zhí)行原理又是什么？
一、編寫java源程序
java源文件:指存儲java源碼的文件。
先來看看如下代碼：
//MyTest被public修飾，故存儲該java源碼的文件名為MyTest
public class MyTest {
public static void main(String[] args){
System.out.println("Test Java execute process.");
}
}
//由于MyTest被public修飾了，故Class A不能用public修飾
class A{}
//由于MyTest被public修飾了，故Class B不能用public修飾
class B{}
1、java源文件名就是該源文件中public類的名稱
2、一個(gè)java源文件可以包含多個(gè)類，但只允許一個(gè)類為public
二、編譯java源代碼
當(dāng)java源程序編碼結(jié)束后，就需要編譯器編譯。
安裝好jdk后，我們打開jdk目錄，有兩個(gè).exe文件，即javac.exe(編譯源代碼，xxx.java文件) 和 java.exe(執(zhí)行字節(jié)碼，xxx.class文件).
如下圖所示：
1、切換到MyTest.java文件夾
2、javac.exe編譯MyTest.java
編譯后，發(fā)現(xiàn)e:Blogs 目錄多了以class為后綴的文件：A.class,B.class和MyTest.class
Tip:當(dāng)javac.exe編譯java源代碼時(shí)，java源代碼有幾個(gè)類，就會(huì)編譯成一個(gè)對應(yīng)的字節(jié)碼文件(.class文件)
其中，字節(jié)碼文件的文件名就是每個(gè)類的類名。需要注意的是，類即使不在源文件中定義，但被源文件引用，編譯后，也會(huì)編程相應(yīng)的字節(jié)碼文件。
如類A引用類C，但類C不定義在類A的源文件中，編譯后，類C也被編譯成對應(yīng)的字節(jié)碼文件C.class
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三、執(zhí)行java源文件
執(zhí)行java源文件，用java.exe執(zhí)行即可
到現(xiàn)在，java源程序基本執(zhí)行結(jié)果，并正確打印我們期望的結(jié)果，那么，如上的步驟，我們可以總結(jié)如下：
如上總結(jié)，已經(jīng)抽象化了在JVM中的執(zhí)行。接下來，我們將分析字節(jié)碼文件（.class文件）如何在虛擬機(jī)中一步一執(zhí)行的。
四、JVM如何執(zhí)行字節(jié)碼文件
1、裝載字節(jié)碼文件
當(dāng) .java 源碼被 javac.exe 編譯器編譯成 .class 字節(jié)碼文件后，接下來的工作就交給JVM處理。
JVM首先通過類加載器(ClassLoader)，將class文件和相關(guān)Java API加載裝入JVM，以供JVM后續(xù)處理。
在該階段中，涉及到如下一些基本概念和知識。
1）JDK,JRE和JVM關(guān)系
- JDK（Java Development Kit），Java開發(fā)工具包，主要用于開發(fā)，在JDK7前，JDK包括JRE
- JRE（Java Runtime Environment），Java程序運(yùn)行的核心環(huán)境，包括JVM和一些核心庫
- JVM（Java Virtual machine），VM是一種用于計(jì)算設(shè)備的規(guī)范，它是一個(gè)虛構(gòu)出來的計(jì)算機(jī)，是通過在實(shí)際的計(jì)算機(jī)上仿真模擬各種計(jì)算機(jī)功能來實(shí)現(xiàn)的，是JRE核心模塊。
2）JVM
JVM是一種用于計(jì)算設(shè)備的規(guī)范，它是一個(gè)虛構(gòu)出來的計(jì)算機(jī)，是通過在實(shí)際的計(jì)算機(jī)上仿真模擬各種計(jì)算機(jī)功能來實(shí)現(xiàn)的。
Java虛擬機(jī)的主要任務(wù)是裝載class文件，并執(zhí)行其中的字節(jié)碼，不同的Java虛擬機(jī)中，執(zhí)行引擎可能有不同的實(shí)現(xiàn)。
大致有如下幾種引擎：
- 一次性解釋字節(jié)碼引擎
- 即時(shí)編譯引擎
- 自適應(yīng)優(yōu)化器
關(guān)于虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)方式，采用軟件方式、硬件方式和軟件硬件結(jié)合方式，這個(gè)要根據(jù)具體廠商而定。
3）什么是ClassLoader
虛擬機(jī)的主要任務(wù)是裝載class文件并執(zhí)行其中的字節(jié)碼，而class文件是由虛擬機(jī)的類加載器(ClassLoader)完成的，在一個(gè)Java虛擬機(jī)中有可能存在多個(gè)類加載器。
任何java運(yùn)用程序，可能會(huì)使用兩種類加載器，即啟動(dòng)類加載器(bootstrap)和用戶自定義類加載器。
啟動(dòng)類加載器是Java虛擬機(jī)唯一實(shí)現(xiàn)的一部分，它又可分為原始類裝載器，系統(tǒng)類裝載器或默認(rèn)類裝載器。它的主要作用是從操作系統(tǒng)的磁盤裝載相應(yīng)的類，如Java API類等。
用戶自定義裝載類，即按照用戶自定義的方式來裝載類。
2、將字節(jié)碼文件存儲在JVM內(nèi)存區(qū)
當(dāng)JAVA虛擬機(jī)運(yùn)行一個(gè)程序時(shí)，它需要內(nèi)存來存儲許多東西。
比如如字節(jié)碼，程序創(chuàng)建的對象，傳遞給方法的參數(shù)，返回值，局部變量以及運(yùn)算的中間結(jié)果等，這些相關(guān)信息被組織到“運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)”。
根據(jù)廠商的不同，在Java虛擬機(jī)中，運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)也有所不同。有些運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)由線程共享，有些只能由某個(gè)特定線程共享。
運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)大致可分幾個(gè)區(qū)：方法區(qū)，堆區(qū)，棧區(qū)，PC寄存器區(qū)和本地方法棧區(qū)。
在該階段中，涉及到如下基本概念和知識。
1）方法區(qū)
方法區(qū)用來存儲解析被加載的class文件的相關(guān)信息。
當(dāng)虛擬裝載一個(gè)class文件后，它會(huì)從這個(gè)class文件包含的二進(jìn)制數(shù)據(jù)中解析類型信息，然后將該相關(guān)信息存儲到方法區(qū)中。
2）堆
堆是用來存儲相關(guān)引用類型的，如new對象。當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，虛擬機(jī)會(huì)把所有該程序在運(yùn)行時(shí)創(chuàng)建的對象都放到堆中。
3）PC寄存器
PC寄存器主要用來存儲線程。當(dāng)新創(chuàng)建一個(gè)線程時(shí)，該線程都將得到一個(gè)自己的PC寄存器(程序計(jì)數(shù)器)以及一個(gè)java棧。
Java虛擬機(jī)沒有寄存器，其指令集使用Java棧來存儲中間數(shù)據(jù)。
4）棧區(qū)
棧區(qū)主要用來存儲值類型的，如基本數(shù)據(jù)類型。需要注意的是，String為引用類型，是存在堆中的。
Java棧是由許多棧幀組成的，一個(gè)棧幀包含一個(gè)Java方法調(diào)用的狀態(tài)，當(dāng)線程調(diào)用一個(gè)方法時(shí)，虛擬機(jī)壓入一個(gè)新的棧幀到該線程的Java棧中，當(dāng)該方法返回時(shí)，這個(gè)棧幀從Java棧中彈出。
3、執(zhí)行引擎與運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)交互
運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)為執(zhí)行引擎提供了執(zhí)行環(huán)境和相關(guān)數(shù)據(jù)，執(zhí)行引擎通過與運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)交互，從而獲取執(zhí)行時(shí)需要的相關(guān)信息，存儲執(zhí)行的中間結(jié)果等
4、執(zhí)行引擎與本地方法接口
當(dāng)要執(zhí)行本地方法時(shí)，執(zhí)行引擎將調(diào)用本地方法接口來獲取相關(guān)OS本地方法。
需要注意的是，本地方法與操作系統(tǒng)強(qiáng)耦合的。
5、JVM在具體操作系統(tǒng)上執(zhí)行
JVM通過調(diào)用本地接口來獲取本地方法，從而實(shí)現(xiàn)在具體的平臺上執(zhí)行。比如在linux系統(tǒng)上執(zhí)行，在Window系統(tǒng)上執(zhí)行和在Unix系統(tǒng)上執(zhí)行。
