「解惑」Java 代碼執行原理

作者 | Alan

來源 | cnblogs.com/wangjiming/p/10455993.html

對於任何一門語言，要想達到精通的水平，研究它的執行原理(或者叫底層機制)不失為一種良好的方式。

在本篇文章中，將重點研究java原始碼的執行原理，即從程式設計師編寫JAVA原始碼，到最終形成產品，在整個過程中，都經歷了什麼？每一步又是怎麼執行的？執行原理又是什麼？

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：

1、java源文件名就是該源文件中public類的名稱

2、一個java源文件可以包含多個類，但只允許一個類為public

二、編譯java原始碼

當java源程序編碼結束後，就需要編譯器編譯。

安裝好jdk後，我們打開jdk目錄，有兩個.exe文件，即javac.exe(編譯原始碼，xxx.java文件) 和 java.exe(執行位元組碼，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

編譯後，發現e:\\Blogs 目錄多了以class為後綴的文件：A.class,B.class和MyTest.class

Tip:當javac.exe編譯java原始碼時，java原始碼有幾個類，就會編譯成一個對應的位元組碼文件(.class文件)

其中，位元組碼文件的文件名就是每個類的類名。需要注意的是，類即使不在源文件中定義，但被源文件引用，編譯後，也會編程相應的位元組碼文件。

如類A引用類C，但類C不定義在類A的源文件中，編譯後，類C也被編譯成對應的位元組碼文件C.class

Tips：關注微信公眾號：Java後端，每日獲取技術博文推送。

三、執行java源文件

執行java源文件，用java.exe執行即可

到現在，java源程序基本執行結果，並正確列印我們期望的結果，那麼，如上的步驟，我們可以總結如下：

如上總結，已經抽象化了在JVM中的執行。接下來，我們將分析位元組碼文件（.class文件）如何在虛擬機中一步一執行的。

四、JVM如何執行位元組碼文件

1、裝載位元組碼文件

當 .java 源碼被 javac.exe 編譯器編譯成 .class 位元組碼文件後，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Java API加載裝入JVM，以供JVM後續處理。

在該階段中，涉及到如下一些基本概念和知識。

1）JDK,JRE和JVM關係

• JDK（Java Development Kit），Java開發工具包，主要用於開發，在JDK7前，JDK包括JRE
• JRE（Java Runtime Environment），Java程序運行的核心環境，包括JVM和一些核心庫
• JVM（Java Virtual Machine），VM是一種用於計算設備的規範，它是一個虛構出來的計算機，是通過在實際的計算機上仿真模擬各種計算機功能來實現的，是JRE核心模塊。

2）JVM

JVM是一種用於計算設備的規範，它是一個虛構出來的計算機，是通過在實際的計算機上仿真模擬各種計算機功能來實現的。

Java虛擬機的主要任務是裝載class文件，並執行其中的位元組碼，不同的Java虛擬機中，執行引擎可能有不同的實現。

大致有如下幾種引擎：

• 一次性解釋位元組碼引擎
• 即時編譯引擎
• 自適應優化器

關於虛擬機的實現方式，採用軟體方式、硬體方式和軟體硬體結合方式，這個要根據具體廠商而定。

3）什麼是ClassLoader

虛擬機的主要任務是裝載class文件並執行其中的位元組碼，而class文件是由虛擬機的類加載器(ClassLoader)完成的，在一個Java虛擬機中有可能存在多個類加載器。

任何java運用程序，可能會使用兩種類加載器，即啟動類加載器(bootstrap)和用戶自定義類加載器。

啟動類加載器是Java虛擬機唯一實現的一部分，它又可分為原始類裝載器，系統類裝載器或默認類裝載器。它的主要作用是從作業系統的磁碟裝載相應的類，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、將位元組碼文件存儲在JVM內存區

當JAVA虛擬機運行一個程序時，它需要內存來存儲許多東西。

比如如位元組碼，程序創建的對象，傳遞給方法的參數，返回值，局部變量以及運算的中間結果等，這些相關信息被組織到「運行時數據區」。

根據廠商的不同，在Java虛擬機中，運行時數據區也有所不同。有些運行時數據區由線程共享，有些只能由某個特定線程共享。

運行時數據區大致可分幾個區：方法區，堆區，棧區，PC寄存器區和本地方法棧區。

在該階段中，涉及到如下基本概念和知識。

1）方法區

方法區用來存儲解析被加載的class文件的相關信息。

當虛擬裝載一個class文件後，它會從這個class文件包含的二進位數據中解析類型信息，然後將該相關信息存儲到方法區中。

2）堆

堆是用來存儲相關引用類型的，如new對象。當程序運行時，虛擬機會把所有該程序在運行時創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。當新創建一個線程時，該線程都將得到一個自己的PC寄存器(程序計數器)以及一個java棧。

Java虛擬機沒有寄存器，其指令集使用Java棧來存儲中間數據。

4）棧區

棧區主要用來存儲值類型的，如基本數據類型。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，一個棧幀包含一個Java方法調用的狀態，當線程調用一個方法時，虛擬機壓入一個新的棧幀到該線程的Java棧中，當該方法返回時，這個棧幀從Java棧中彈出。

3、執行引擎與運行時數據區交互

運行時數據區為執行引擎提供了執行環境和相關數據，執行引擎通過與運行時數據區交互，從而獲取執行時需要的相關信息，存儲執行的中間結果等

4、執行引擎與本地方法接口

當要執行本地方法時，執行引擎將調用本地方法接口來獲取相關OS本地方法。

需要注意的是，本地方法與作業系統強耦合的。

5、JVM在具體作業系統上執行

JVM通過調用本地接口來獲取本地方法，從而實現在具體的平台上執行。比如在Linux系統上執行，在Window系統上執行和在Unix系統上執行。

五、參考文獻

1、深入Java虛擬機（原書第2版）(美)Bill Venners 著

2、Core Java Volume I - Fundamententals(10th Edition)

3、Core Java Volume I - Advanced Features(10th Edition)