Java代码是怎么运行的？

news2024/11/25 22:31:02

Java代码是怎么运行的？

运行流程

将Java程序转换成Java虚拟机所能识别的指令序列，也称Java字节码。之所以这么取名，是因为Java字节码指令的操作码（opcode）被固定为一个字节。

Java虚拟机可以由硬件实现，但更为常见的是在各个现有平台（如Windows_x64、Linux_aarch64）上提供软件实现。

Java虚拟机将运行时内存区域划分为五个部分，分别为方法区、堆、PC寄存器、Java方法栈和本地方法栈。

执行Java代码首先需要将它编译而成的class文件加载到Java虚拟机中。加载后的Java类会被存放于方法区（Method Area）中。实际运行时，虚拟机会执行方法区内的代码。

Java虚拟机将栈分为面向Java方法的Java方法栈，面向本地方法（用C++写的native方法）的本地方法栈，以及存放各个线程执行位置的PC寄存器。

注：PC寄存器并不是物理寄存器，本质是内存空间，只是对物理PC寄存器的一种抽象模拟。
在JVM规范中，每个线程都有它自己的程序计数器，是线程私有的，生命周期与线程的生命周期保持一致。
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在运行过程中，每当调用进入一个Java方法，Java虚拟机会在当前线程的Java方法栈中生成一个栈帧，用以存放局部变量以及字节码的操作数。这个栈帧的大小是提前计算好的，而且Java虚拟机不要求栈帧在内存空间里连续分布。

当退出当前执行的方法时，不管是正常返回还是异常返回，Java虚拟机均会弹出当前线程的当前栈帧，并将之舍弃。

字节码->机器码

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在HotSpot里面，Java虚拟机需要将字节码翻译成机器码，有两种形式：第一种是解释执行，逐条将字节码翻译成机器码并执行；第二种是即时编译（Just-In-Time compilation，JIT），将一个方法中包含的所有字节码编译成机器码后再执行。

HotSpot默认采用混合模式，它会先解释执行字节码，而后将其中反复执行的热点代码，以方法为单位进行即时编译，翻译成机器码后直接运行在底层硬件之上。

即时编译建立在程序符合二八定律的假设上，也就是百分之二十的代码占据了百分之八十的计算资源。

对于占据大部分的不常用的代码，我们无需耗费时间将其编译成机器码，而是采取解释执行的方式运行；另一方面，对于仅占据小部分的热点代码，我们则可以将其编译成机器码，以达到理想的运行速度。

HotSpot内置了多个即时编译器：C1、C2和Graal。

之所以引入多个即时编译器，是为了在编译时间和生成代码的执行效率之间进行取舍。C1又叫做Client编译器，面向的是对启动性能有要求的客户端GUI程序，采用的优化手段相对简单，因此编译时间较短。

C2又叫做Server编译器，面向的是对峰值性能有要求的服务器端程序，采用的优化手段相对复杂，因此编译时间较长，但同时生成代码的执行效率较高。

从Java 7开始，HotSpot默认采用分层编译的方式：热点方法首先会被C1编译，而后热点方法中的热点会进一步被C2编译。

为了不干扰应用的正常运行，HotSpot的即时编译是放在额外的编译线程中进行的。HotSpot会根据CPU的数量设置编译线程的数目，并且按1:2的比例配置给C1及C2编译器。

在计算资源充足的情况下，字节码的解释执行和即时编译可同时进行。编译完成后的机器码会在下次调用该方法时启用，以替换原本的解释执行。

小实验

通过观察两个条件判断语句的运行结果，来思考Java语言和Java虚拟机看待boolean类型的方式是否不同。
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public class Foo {
    public static void main(String[] args) {
        boolean flag = true;
        if (flag)
            System.out.println("Hello, Java!");
        if (flag == true)
            System.out.println("Hello, JVM!");
    }
}

在这里插入图片描述

E:\Test\asm>javac Foo.java

E:\Test\asm>java Foo
Hello, Java!
Hello, JVM!

E:\Test\asm>java -cp E://Test/asm/asmtools.jar org.openjdk.asmtools.jdis.Main Foo.class > Foo.jasm

E:\Test\asm>java -cp E://Test/asm/asmtools.jar org.openjdk.asmtools.jasm.Main Foo.jasm > Foo.class

E:\Test\asm>java Foo
Hello, Java!

E:\Test\asm>