Java的基础概念和常识（二）

什么是字节码？采用字节码的好处是什么？

字节码（Byte-code）是一种中间形式的代码，是源代码编译后生成的一种低级表示，通常是在编译阶段生成的。在 Java 中，JVM 可以理解的代码就叫做字节码（即扩展名为 .class 的文件），它不面向任何特定的处理器，只面向虚拟机。Java 语言通过字节码的方式，在一定程度上解决了传统解释型语言执行效率低的问题，同时又保留了解释型语言可移植的特点。所以， Java 程序运行时相对来说还是高效的（不过，和 C、 C++，Rust，Go 等语言还是有一定差距的），而且，由于字节码并不针对一种特定的机器，因此，Java 程序无须重新编译便可在多种不同操作系统的计算机上运行。

一、字节码的定义

组成：字节码由一系列op代码/数据对组成，是一种二进制文件。
特性：字节码是一种中间码，它比机器码更抽象，可以被看作是一个执行程序的二进制文件或对象模型。
长度：字节码之所以被称为字节码，是因为通常每个opcode（操作码）是一字节长，但指令码的长度是变化的。每个指令有从0到255（或十六进制的00到FF）的一字节操作码，后面跟随参数，如寄存器或内存地址。
平台独立性：字节码独立于具体的硬件平台，可以在各种不同的架构上运行，如Java虚拟机（JVM）。

二、采用字节码的好处

跨平台性：
- 字节码可以在不同的操作系统和硬件上运行，因为只要存在相应的虚拟机（如JVM），编写的程序就能得到无缝执行。
- 这使得开发者可以更方便地为多个平台开发应用程序，提高开发效率。
性能优化：
- 字节码可以在运行时动态编译为机器代码，避免了额外的编译步骤，同时保证了程序的执行效率。
- 通过对字节码的直接操作，开发者可以在不改变源代码的基础上，对程序的执行性能进行显著提升。例如，通过移除未使用的代码（死代码消除）、减少方法调用的开销（内联）、优化循环结构等技术手段，可以显著提升程序运行速度和响应时间。
- 虚拟机（如JVM）在运行字节码时可以进行即时编译（JIT），将频繁执行的字节码转换为本地机器代码，进一步提高程序的执行效率。
可调试性：
- 字节码是可读的，因此可以方便地进行调试和分析。
可扩展性：
- 字节码可以被扩展以支持新的特性，而不需要更改现有的机器代码。
安全性：
- 通过沙箱机制，虚拟机限制了字节码的直接操作，增强了系统的安全性。
- 通过对字节码进行加密或混淆，可以有效地防止恶意用户对程序代码的分析和破解，保护软件知识产权和业务逻辑的安全。
- 字节码级的安全检查和验证，例如动态的权限校验、运行时的数据流分析等，进一步提升了程序的安全防护等级。

综上所述，字节码作为一种中间形式的代码，在跨平台性、性能优化、可调试性、可扩展性和安全性等方面具有显著优势。这些优势使得字节码在软件开发和部署中发挥着重要作用。

Java程序从源代码到运行的过程：

Java程序从源代码到运行的过程，可以简单理解为以下几个步骤：

.java 文件：
这是你用Java编程语言编写的源代码文件。它包含了程序的指令、逻辑、数据声明等。
javac 编译：
你使用Java编译器（通常叫做javac）来编译.java文件。编译器会检查你的代码是否有错误，然后将它转换成一种叫做字节码（bytecode）的中间形式。这个过程叫做编译（compilation）。
.class 文件：
编译后的结果是一个或多个.class文件。这些文件包含了Java虚拟机（JVM）可以理解的字节码。字节码是一种介于高级编程语言和机器语言之间的中间代码。
解释器 & JIT：
当你运行Java程序时，JVM会读取.class文件中的字节码。JVM内部有两个主要的部分来处理这些字节码：
- 解释器：它会逐条读取字节码指令，并将其翻译成当前机器的机器指令来执行。这个过程相对较慢，因为每条指令都需要被解释和执行。
- 即时编译器（JIT, Just-In-Time Compiler）：为了提高性能，JVM会在程序运行时动态地将热点代码（即经常被执行的代码）编译成机器码。这样，这些代码就可以直接由机器执行，而不需要每次都经过解释器的翻译。
机器可理解的代码：
最终，无论是通过解释器还是JIT编译器，Java程序的字节码都会被转换成当前计算机可以理解的机器指令来执行。这个过程使得Java程序能够在不同的硬件和操作系统上运行，而不需要为每个平台都编译一次代码。

所以，简单来说，Java程序从源代码到运行的过程就是：编写.java源代码文件 → 使用javac编译成.class字节码文件 → JVM通过解释器和JIT编译器将字节码转换成机器可理解的代码并执行。

我们需要格外注意的是 .class->机器码 这一步。在这一步 JVM 类加载器首先加载字节码文件，然后通过解释器逐行解释执行，这种方式的执行速度会相对比较慢。而且，有些方法和代码块是经常需要被调用的(也就是所谓的热点代码)，所以后面引进了 JIT（Just in Time Compilation） 编译器，而 JIT 属于运行时编译。当 JIT 编译器完成第一次编译后，其会将字节码对应的机器码保存下来，下次可以直接使用。而我们知道，机器码的运行效率肯定是高于 Java 解释器的。这也解释了我们为什么经常会说 Java 是编译与解释共存的语言 。

JDK、JRE、JVM、JIT 这四者的关系

JDK 是 Java 程序开发的完整解决方案，包含了 JRE 和 JVM，以及开发 Java 应用程序所需的额外工具。
JRE 是运行 Java 程序所必需的环境，包含了 JVM 和 Java 核心类库。
JVM 是运行 Java 程序的核心组件，负责将 Java 字节码转换为特定平台的机器码并执行。
JIT 是 JVM 的一个组成部分，用于在运行时动态优化 Java 程序的执行性能。

这四者之间的关系可以概括为：JDK 包含 JRE 和 JVM（以及开发工具），JRE 包含 JVM（以及核心类库），而 JIT 是 JVM 的一个优化机制。，

为什么说 Java 语言“编译与解释并存”？

这是因为 Java 语言既具有编译型语言的特征，也具有解释型语言的特征。因为 Java 程序要经过先编译，后解释两个步骤，由 Java 编写的程序需要先经过编译步骤，生成字节码（.class 文件），这种字节码必须由 Java 解释器来解释执行。

编译阶段：
- Java 源代码（.java 文件）首先通过 Java 编译器（javac）被编译成字节码（bytecode），生成字节码文件（.class 文件）。
- 字节码是一种中间表示形式，既不是机器码也不是高级语言代码，而是一种介于两者之间的、平台无关的代码。
解释阶段：
- Java 虚拟机（JVM）是运行 Java 程序的平台。当 JVM 加载字节码文件时，它会逐条解释字节码指令，并将其转换为对应平台的机器码执行。
- 这个过程被称为“解释执行”。不过，现代 JVM 通常包含即时编译器（JIT Compiler），它在运行时会将一部分热点代码（频繁执行的代码）编译成机器码，以提高性能。这种技术被称为“即时编译”（Just-In-Time Compilation）。
编译与解释的并存：
- Java 程序首先通过编译器编译成字节码，这是编译阶段。
- 然后，JVM 解释执行这些字节码，同时利用 JIT 编译器将部分热点代码编译成机器码以提高性能，这是解释（及即时编译）阶段。
- 因此，Java 语言在运行过程中既有编译过程（字节码到机器码的即时编译），又有解释过程（字节码的解释执行），两者并存。
平台无关性：
- Java 的这种编译与解释并存的机制还与其平台无关性密切相关。由于 Java 程序运行在 JVM 上，而 JVM 可以在不同的硬件和操作系统上实现，因此 Java 程序可以跨平台运行。
- 编译阶段生成的字节码是平台无关的，而解释和即时编译阶段则发生在目标平台上，由 JVM 负责处理平台相关的细节。