Java 开发流程、运行原理、JVM 规范与实现

蔚落 2022-02-26 04:52 281阅读 0赞

**目录**

Java 开发流程

Java 运行原理

半编译半解释

平台无关性

JVM 规范（Specification）

Runtime data area 运行时数据区域

Sun JVM 规范实现

--------------------

当年 sun 公司是这么定义 Java 的：Java 是一种 简单、面向对象、分布式、跨平台、半编译半解释、健壮、安全、高性能、多线程的动态语言。

# Java 开发流程 #

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdteDE5OTMzMjg_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

1、如下所示在 E:/Study\_Note/test 目录下新建一个 HelloWorld.java 源文件。HelloWorld.java 源文件中输出一句话，同时引用了 JDK 的 API java.util.Date() 打印一下日期。

2、使用 javac \*.java 编译源代码，此时如果源代码正确，则默认会在当前目录下自动生成编译好的二进制文件 \*.class

![20190329082651741.gif][]

import java.util.Date;
    /**
     * Created by Administrator on 2019/3/29 0029.
     */
    public class HelloWorld {
        public static void main(String[] args) {
            System.out.println("Hello World "+ new Date());
        }
    }

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <p><span style="color:#f33b45;">注意事项：</span></p> <p>1、java 命令后面接的是字节码文件(*.class)的类名，且不能带后缀名 .class，否则会报错，*.class 可以放到任意其它位置使用 java 命令执行，不再与 *.java 源码有关</p> <p>2、java 、javac 命令不是凭空出来的，而是安装好 Java JDK 后，在 %JAVA_HOME%/bin 目录下提供的，而且其中还提供了其它很多命令，如常用的还有 javaw.exe、javafxpackager.exe 等等。</p> <p>3、所以要想在 cmd 中直接调用 java、javac 等命令，必须先配置好 Java 环境变量，否则只能输命令的全路径。</p> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdteDE5OTMzMjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

3、这里所说的开发流程是 Java 开发的底层流程，实际中显然不会这么写 java 源代码，也不会到 cmd 中自己来 javac 编译源文件，然后 java 命令执行字节码文件，而是使用 IDEA 、Eclipse 等工具编写，但需要明白的是这些工具底层也是这么操作的。

# Java 运行原理 #

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdteDE5OTMzMjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdteDE5OTMzMjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

JVM(Java Virtual Machine)-Java 虚拟机：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <p>1、JVM 是一个虚构出来的计算机，通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。</p> <p>2、Java 虚拟机有自己完善的硬件架构，如处理器、寄存器、堆栈等，还具有相应的指令系统</p> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

# 半编译半解释 #

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdteDE5OTMzMjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]

1、系统(编译器)先将用户输入的指令翻译成一种通用的，比较规则的中间形式的代码(\*.class)，保密性强，运行时则由所在机器(JVM)的解释器进行解释执行。

2、java 语言的开发效率高，但执行效率低。（相当于c++的55%）

# 平台无关性 #

1、所谓平台：即一套特定的硬件再加上运行的操作系统(硬件+软件)。编程语言对不同平台的支持有所不同。（如 VB、C/C++、Java...）

2、Java 完全不用修改任何源代码，也不用重新编译就可以将 Java 应用从一个平台直接移植到其它平台。

3、不同平台的内存管理模式和CPU的指令集等都有很大的差别，为了让 Java 实现平台无关性，Sun 公司在不同平台上用软件模拟出虚拟目标机(JVM)，虚拟出CPU指令集和内存。

4、Java 平台无关性的关键在于 JVM，所有的字节码(\*.class)就是在虚拟出的目标机(JVM)上运行，不会和平台的底层直接打交道。

5、JVM 根据平台的不同，把字节码解释成不同的本地代码(如上图)，JVM 就像翻译，把通用的普通话翻译成不同地方的特色方言。

6、Java 的平台无关性给程序的部署带来了很大的灵活性，节约开发和升级成本。但是也有一个缺点：Java代码必须经过JVM解释才能运行，使得Java运行效率相比C++等语言要低很多。

7、WORA：Write Once,Run Anyhere(一次编写，到处运行)

# JVM 规范（Specification） #

1、JVM Specification（规范）中的 JVM 整体架构如下图：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdteDE5OTMzMjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 5][] 运行时数据区域中的方法区、heap：所有线程共享使用  
其余3个白色的则各个线程独有，互补干扰

1、主要包括两个子系统和两个组件：Class Loader（类加载器）子系统，Execution Engine（执行引擎）子系统；Runtime data area（运行时数据区域）组件，Native interface（本地接口）组件。

2、**Class loader 子系统**：根据给定的全限定类名（如 java.lang.Object）来装载 class 文件的内容到 Runtime data area 中的方法区。Java 程序员可以 extends java.lang.ClassLoader 类来自定义 Class loader。

3、**Execution engine 子系统：**执行 classes 中的指令。任何 JVM 规范的实现（JDK），其核心就是 Execution engine。目前 JVM 规范的实现主要有 sun 公司的 JDK、JRE(现在是Oracle的了)，以及 IBM 的 JDK、JRE，因为都遵循 JVM 规范，所以功能上基本无异，好坏程度主要取决于它们各自实现的 Execution engine。每个运行中的线程都有一个 Executon engine 的实例。

4、**Native interface 组件：**与 Native libraries 交互，是与其它编程语言交互的接口。

5、**Runtime data area 组件：**这个组件是 JVM 中的内存，也是核心部分，下面将对它进行详细介绍。

# Runtime data area 运行时数据区域 #

1、Runtime data area 组件是 JVM 中的内存，整体架构图如下：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdteDE5OTMzMjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 6][]

2、Runtime data area 主要包括五个部分：Heap (堆)、Method Area(方法区域)、Java Stack(java的栈)、Program Counter(程序计数器)、Native method stack(本地方法栈)。

3、Heap 和 Method Area 是被所有线程的共享使用的；而 Java stack, Program counter 和Native method stack 是以线程为粒度的，每个线程独自拥有。

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="width:183px;"><strong>Heap（堆）</strong></td> 
   <td> <p>1、Java 程序在运行时创建的所有类实例或数组都放在同一个堆中。</p> <p>2、一个 Java 程序独占一个 JVM 实例，互补干扰，一个 JVM 实例只存在一个堆空间，同一 Java 程序中的所有线程都共享这个堆，所以得考虑多线程访问对象（堆数据）的同步问题。</p> <p>3、可能出现的异常为：java.lang.OutOfMemoryError:Java heap space</p> </td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:183px;"><strong>Method area（方法区）</strong></td> 
   <td> <p><br> 1、Java 虚拟机中，被装载的 class 的信息存储在 Method area 的内存中。</p> <p>2、当虚拟机装载某个类型时，它使用类装载器定位相应的 class 文件，然后读入这个 class 文件的内容，并把它传输到虚拟机中。然后虚拟机提取其中的类型信息，同时将它存储到方法区。该类型中的类（静态）变量同样也存储在方法区中。</p> <p>3、与 heap 一样，method area 也是多线程共享的，需要考虑多线程访问的同步问题。比如：两个线程都企图访问一个名为 HelloWorld 的类，而这个类还没有装载入虚拟机，那么这时应该只有一个线程去装载它，另一个线程只能等待。</p> <p>4、可能出现的异常：java.lang.OutOfMemoryError:PermGen full（permanent generation full）</p> </td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:183px;"><strong>Java Stack（虚拟机栈）</strong></td> 
   <td> <p>1、Java stack 以帧为单位保存线程的运行状态。</p> <p>2、虚拟机只会直接对 Java stack 执行两种操作；以帧为单位的压栈或出栈。每当线程调用一个方法时，就对当前状态作为一个帧保存到 Java stack 中（压栈）；当一个方法返回时，从 Java stack 弹出一个帧（出栈）。</p> <p>3、栈的大小是有一定的限制的，可能出现的问题为：StackOverFlow</p> </td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:183px;"><strong>Program counter（程序计数器）</strong></td> 
   <td> <p>1、每个运行中的 Java 程序，每一个线程都有它自己的 PC寄存器，在线程启动时创建的。（延伸：寄存器是 CPU 的组成部分，是一个容量有限的高速存储部件，它们可用来暂存指令、数据和地址）</p> <p>2、PC寄存器的内容总是指向下一条将被执行指令的"地址"，这里的"地址"可以是一个本地指针，也可以是在方法区中相对应于该方法起始指令的偏移量。</p> </td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:183px;"><strong>Native method stack（本地方法栈）</strong></td> 
   <td> <p>1、对于一个运行中的 Java 程序而言，它可能会用到一些跟本地方法相关的数据区。当某个线程调用一个本地方法时，它就进入了一个全新的并且不再受虚拟机限制的世界。</p> <p>2、本地方法可以通过本地方法接口来访问虚拟机的运行时数据区，不止与此，它还可以做任何它想做的事情。比如，可以调用寄存器，或在操作系统中分配内存等。</p> <p>3、总之，本地方法具有和 JVM 相同的能力和权限。 (这里可能出现 JVM 无法控制的内存溢出问题native heap OutOfMemory )</p> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

# Sun JVM 规范实现 #

1、本节主要介绍 Sun JVM 中对 JVM Specification 的实现（内存部分）。

2、已经说过 JVM Specification（规范）只是抽象的说明了 JVM 实例按照子系统、内存区、数据类型以及指令这几个术语来描述，规范并非是要强制规定 Java 虚拟机实现内部的体系结构，更多的是为了严格地定义这些实现的外部特征。所以如 Sun JVM 实现与 IMB JVM 实现细节上略有不同。

3、Sun JVM 实现中：Runtime data area(JVM 内存) 五个部分中的 Java Stack , Program Counter, Native method stack 三部分和规范中的描述基本一致；但对 Heap 和 Method Area 进行了自己独特的实现。这个实现和 Sun JVM 的 Garbage collector（垃圾回收）机制有关。下面的"垃圾分代回收算法"会进行详细描述。

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