如果你是一名 Java 開發(fā)人員，你肯定指定 Java 代碼有很多種不同的運行方式。比如說可以在開發(fā)工具(IDEA、Eclipse等)中運行，可以雙擊執(zhí)行 jar 文件運行，也可以在命令行中運行，甚至可以在網(wǎng)頁(比如各種 OJ)中運行。當然，這些執(zhí)行方式都離不開 JRE(Java 運行時環(huán)境)。

JRE 包含運行 Java 程序的必需組件，包括 JVM(Java 虛擬機)以及 Java 核心類庫等。Java 程序員經(jīng)常接觸到的 JDK(Java 開發(fā)工具包)同樣包含了 JRE，并且還附帶了一系列開發(fā)、診斷工具。

本篇文章主要針對以下兩個問題和大家一起探討：

為什么需要 JVM？

JVM 是怎樣運行 Java 代碼的呢？

為什么需要 JVM？

Java 的一個非常重要的特點就是與平臺的無關(guān)性，而使用 JVM 是實現(xiàn)這一特點的關(guān)鍵。Java 作為一門高級程序語言，語法復雜，抽象程度高。因此，直接在硬件上運行這種復雜的程序并不現(xiàn)實。所以在運行 Java 程序之前，我們需要對其進行轉(zhuǎn)換。

設計一個面向 Java 語言特性的虛擬機，并通過編譯器將 Java 程序轉(zhuǎn)換成該虛擬機所能識別的指令序列(因為 Java 字節(jié)碼指令的操作碼(opcode)被固定為一個字節(jié)，故又稱 Java 字節(jié)碼)。

JVM 一般是在各個現(xiàn)有平臺(如 Windows、Linux)上提供軟件實現(xiàn)，這樣可以使一旦一個程序被轉(zhuǎn)換成 Java 字節(jié)碼，那么便可以在不同平臺上的虛擬機實現(xiàn)里運行(一次編寫，到處運行)。

JVM 另外一個好處是帶有托管環(huán)境(Managed Runtime)，托管環(huán)境能夠代替處理一些代碼中冗長而且容易出錯的部分，其中包括自動內(nèi)存管理與垃圾回收(GC)。

另外，托管環(huán)境還提供了諸如數(shù)組越界、動態(tài)類型、安全權(quán)限等等的動態(tài)檢測，使我們免于書寫這些無關(guān)業(yè)務邏輯的代碼。

JVM 是怎樣運行 Java 代碼的呢？

JVM 具體是怎么運行 Java 字節(jié)碼的呢？下面我們一起來看一下：

從 JVM 來看，執(zhí)行 Java 代碼首先需要將它編譯而成的 class 文件加載到 JVM 中。加載后的 Java 類會被存放于方法區(qū)(Method Area)中。實際運行時，JVM 會執(zhí)行方法區(qū)內(nèi)的代碼。

JVM 會在內(nèi)存中劃分出堆和棧來存儲運行時數(shù)據(jù)，JVM 會將棧細分為面向 Java 方法的 Java 方法棧，面向本地方法(用 C++ 寫的 native 方法)的本地方法棧，以及存放各個線程執(zhí)行位置的 PC 寄存器。

在運行過程中，每當調(diào)用進入一個 Java 方法，JVM 會在當前線程的 Java 方法棧中生成一個棧幀，用以存放局部變量以及字節(jié)碼的操作數(shù)。棧幀的大小是提前計算好的，而且 JVM 不要求棧幀在內(nèi)存空間里連續(xù)分布。

當退出當前執(zhí)行的方法時，不管是正常返回還是異常返回，JVM 均會彈出當前線程的當前棧幀，并將之舍棄。

從硬件視角來看，Java 字節(jié)碼無法直接執(zhí)行。因此，JVM 需要將字節(jié)碼翻譯成機器碼。

在 HotSpot 里面，上述翻譯過程有兩種形式：第一種是解釋執(zhí)行(interpreter)，即逐條將字節(jié)碼翻譯成機器碼并執(zhí)行；第二種是即時編譯(Just-In-Time compilation，JIT)，即將一個方法中包含的所有字節(jié)碼編譯成機器碼后再執(zhí)行。

前者的優(yōu)勢在于無需等待編譯，而后者的優(yōu)勢在于實際運行速度更快。HotSpot 默認采用混合模式，綜合了解釋執(zhí)行和即時編譯兩者的優(yōu)點。它會先解釋執(zhí)行字節(jié)碼，而后將其中反復執(zhí)行的熱點代碼，以方法為單位進行即時編譯。

整個 Java 代碼執(zhí)行過程如下：

使用 javac 把 .java 源文件編譯為字節(jié)碼(文件后綴名為 .class)

字節(jié)碼經(jīng)過 JIT 環(huán)境變量進行判斷，是否屬于熱點代碼(多次調(diào)用的方法或循環(huán)體)

熱點代碼使用 JIT 編譯為可執(zhí)行的機器碼

非熱點代碼使用解釋器解釋執(zhí)行所有字節(jié)碼

其中，在運行過程中會被即時編譯的熱點代碼有兩類：

被多次調(diào)用的方法

被多次執(zhí)行的循環(huán)體

針對第一類，編譯器會將整個方法作為編譯對象，這也是標準的 JIT 編譯方式。對于第二類是由循環(huán)體出發(fā)的，但是編譯器依然會以整個方法作為編譯對象，因為發(fā)生在方法執(zhí)行過程中，稱為棧上替換。

HotSpot 采用了多種技術(shù)來提升啟動性能以及峰值性能，剛剛提到的即時編譯便是其中最重要的技術(shù)之一。

即時編譯建立在程序符合二八定律的假設上，也就是百分之二十的代碼占據(jù)了百分之八十的計算資源。

對于占據(jù)大部分的不常用的代碼，我們無需耗費時間將其編譯成機器碼，而是采取解釋執(zhí)行的方式運行；另一方面，對于僅占據(jù)小部分的熱點代碼，我們則可以將其編譯成機器碼，以達到理想的運行速度。

為了滿足不同用戶場景的需要，HotSpot 內(nèi)置了多個即時編譯器：C1、C2。之所以引入多個即時編譯器，是為了在編譯時間和生成代碼的執(zhí)行效率之間進行取舍。

C1 (Client 編譯器)面向的是對啟動性能有要求的客戶端 GUI 程序，采用的優(yōu)化手段相對簡單，因此編譯時間較短。

C2 (Server 編譯器)面向的是對峰值性能有要求的服務器端程序，采用的優(yōu)化手段相對復雜，因此編譯時間較長，但同時生成代碼的執(zhí)行效率較高。

從 Java 7 開始，HotSpot 默認采用分層編譯的方式：熱點方法首先會被 C1 編譯，而后熱點方法中的熱點會進一步被 C2 編譯。

為了不干擾應用的正常運行，HotSpot 的即時編譯是放在額外的編譯線程中進行的。HotSpot 會根據(jù) CPU 的數(shù)量設置編譯線程的數(shù)目，并且按 1:2 的比例配置給 C1 及 C2 編譯器。

在計算資源充足的情況下，字節(jié)碼的解釋執(zhí)行和即時編譯可同時進行。編譯完成后的機器碼會在下次調(diào)用該方法時啟用，以替換原本的解釋執(zhí)行。

其中判斷一段代碼是否為熱點代碼，是不是需要觸發(fā)即時編譯，這樣的行為稱為熱點探測(Hot Spot Detection)，探測算法有兩種：

基于采樣的熱點探測(Sample Based Hot Spot Detection)：虛擬機會周期的對各個線程棧頂進行檢查，如果某些方法經(jīng)常出現(xiàn)在棧頂，這個方法就是熱點方法。優(yōu)點是實現(xiàn)簡單、高效，很容易獲取方法調(diào)用關(guān)系。缺點是很難確認方法的 reduce，容易受到線程阻塞或其他外因擾亂。

基于計數(shù)器的熱點探測(Counter Based Hot Spot Detection)：為每個方法(甚至是代碼塊)建立計數(shù)器，執(zhí)行次數(shù)超過閾值就認為是熱點方法。優(yōu)點是統(tǒng)計結(jié)果精確嚴謹。缺點是實現(xiàn)麻煩，不能直接獲取方法的調(diào)用關(guān)系。

HotSpot 使用的是第二種-基于計數(shù)器的熱點探測，并且有兩類計數(shù)器：方法調(diào)用計數(shù)器(Invocation Counter)和回邊計數(shù)器(Back Edge Counter)。

總結(jié)

這篇文章主要介紹了為什么需要 JVM 以及 JVM 是怎樣運行 Java 代碼的。

為什么需要 JVM：

提供了可移植性。一次編譯，到處執(zhí)行。

提供了代碼托管的環(huán)境，代替處理部分冗長而且容易出錯的部分。

JVM 將運行時內(nèi)存區(qū)域劃分為五個部分，分別為方法區(qū)、堆、PC 寄存器、Java 方法棧和本地方法棧。Java 程序編譯而成的 class 文件，需要先加載至方法區(qū)中，方能在 JVM 中運行。

為了提高運行效率，HotSpot 虛擬機采用的是一種混合執(zhí)行的策略，會解釋執(zhí)行 Java 字節(jié)碼，然后會將其中反復執(zhí)行的熱點代碼，以方法為單位進行即時編譯，翻譯成機器碼后直接運行在底層硬件之上。

HotSpot 裝載了多個不同的即時編譯器，以便在編譯時間和生成代碼的執(zhí)行效率之間做取舍。

判斷熱點代碼的探測算法包括基于采樣和基于計數(shù)器兩種，HotSpot 采用基于計數(shù)器的熱點探測，計數(shù)器又分為方法調(diào)用計數(shù)器和回邊計數(shù)器。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的java工程如何跑起来的_你编写的Java代码是咋跑起来的？的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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