Java代码是怎么运行的？

小灰灰 2022-04-18 00:28 208阅读 0赞

> 《深入拆解Java虚拟机》学习笔记  
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#### Java 和 C++ 在运行方式上的区别？ ####

Java 代码有很多种不同的运行方式，比如在开发工具中运行、双击执行 jar 文件运行、在命令行中运行，甚至可以在网页中运行。

> Java 的运行离不开 JRE（Java 运行时环境）， JRE 仅包含运行 Java 程序的必需组件，包括 **Java 虚拟机以及 Java 核心类库**等。当然我们程序员更经常接触到的是 JDK（Java 开发工具包），包含了JRE，并且还附带了一系列**开发、诊断工具**。

运行 C++ 代码则无需额外的运行时，往往把代码直接编译成 CPU 所能理解的**机器码**即可。

#### 为什么 Java 要在虚拟机里运行？ ####

Java 作为一门高级程序语言，它的语法非常复杂，抽象程度也很高。因此，直接在硬件上运行这种**复杂**的程序并不现实。

所以可以在 Java 代码与机器码之间加一层虚拟机，先将 Java 代码转换成 Java 字节码，最后才转换成机器码，降低复杂度。

Java Hello World 字节码格式  
![Java字节码][Java]

#### Java 虚拟机的好处 ####

*  通过为各个平台（Linux、Windows、Mac os等）提供Java虚拟机的软件实现，在各个平台上都可以将Java代码转换成字节码来运行Java（**可移植性**），达到 “**一次编写、到处运行**” 的目的
 *  Java虚拟机为我们带来了一个托管环境（Managed Runtime），可以替我们处理一些冗长而且容易出错的代码，最重要的譬如**自动内存管理**与**垃圾回收**，同时还提供诸如**数组越界**、**动态类型**、**安全权限**等的动态检测，让我们可以专心的写业务代码

#### Java 虚拟机具体是怎样运行 Java 字节码的？ ####

首先从虚拟机的角度来看：

1.  首先将 Java 代码编译成的 class 文件
2.  将 class 文件加载到 Java 虚拟机中（载入Java内存），加载后的 Java 类会被**存放于方法区**（Method Area）中
3.  运行时，虚拟机执行方法区内的代码

![Java虚拟机运行Java字节码的过程][Java_Java]

Java 虚拟机会**将栈细分为**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\*\*。

> 本地方法，用关键字 native 修饰，基于JNI（Java Native Interface，Java本地接口），它允许 Java 代码和其他语言写的代码进行交互

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。（栈帧是提前计算好且不需连续分布）

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。

Java 虚拟机将字节码翻译成机器码有两种形式：

*  **解释执行**：即逐条将字节码翻译成机器码并执行；
 *  **即时编译**（Just-In-Time compilation，JIT），即将**一个方法**中包含的所有字节码编译成机器码后再执行。

![Java虚拟机运行Java字节码的过程][Java_Java 1]

解释执行的好处是**无须等待编译**，即时编译的好处是**实际执行速度更快**。

HotSpot 默认采用混合模式，综合了解释执行和即时编译两者的优点，它会先解释执行字节码，然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**。

#### 关于即时编译 ####

即时编译主要是为了提高 Java 虚拟机的启动性能以及峰值性能，它建立在程序符合**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。

对于百分之八十（大部分）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；对于百分之二十（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**。

为了满足不同用户场景的需要（在**编译时间**和生成代码的**执行效率**之间进行取舍），HotSpot 内置了多个即时编译器：C1、C2 和 Graal

*  C1，又叫 **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，编译时间较短**。
 *  C2，又叫 **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，编译时间较长**，但同时生成代码的**执行效率较高**。
 *  Graal 是Java 10 正式引入的实验性即时编译器

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。

#### 小作业：观察两个条件判断语句的运行结果 ####

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？

[点击下载asmtools][asmtools]，并在命令行中运行下述指令

> 注：ASM 是一个 Java 字节码操控框架

$ echo '
    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!");
     }
    }' > Foo.java
    $ javac Foo.java
    $ java Foo
    $ java -cp /path/to/asmtools.jar org.openjdk.asmtools.jdis.Main Foo.class > Foo.jasm.1
    $ awk 'NR==1,/iconst_1/{sub(/iconst_1/, "iconst_2")} 1' Foo.jasm.1 > Foo.jasm
    $ java -cp /path/to/asmtools.jar org.openjdk.asmtools.jasm.Main Foo.jasm
    $ java Foo

![运行结果][20181106_003959.png]

结果分析：（来自评论区）

> jvm 把 boolean 当做 int 来处理，flag = iconst\_1 = true  
> awk 把 stackframe 中的 flag 改为 iconst\_2  
> if（flag）比较时ifeq指令做是否为零判断，常数2仍为true，打印输出  
> if（true == flag）比较时if\_cmpne做整数比较，iconst\_1是否等于flag，比较失败，不再打  
> 印输出

#### Hotspot 中的热点代码探测技术 ####

怎样区分热点代码呢？主要有下面两种方法：

*  基于**采样**的热点探测
 *  基于**计数器**的热点探测

计数器方法又可细分为方法调用计数器和汇编计数器

> [HotSpot的热点代码探测技术][HotSpot]

*  **方法调用计数器** 统计一个相对的执行频率，即一段时间内方法被调用的次数，当超过一定的时间限度，如果方法的调用次数仍然不足以让它提交给即时编译器，那这个方法的调用计数器就会被减少一半，这个过程称为方法调用计数器热度的衰减，而这段时间就称为方法统计的半衰周期，进行热度衰减的动作在虚拟机进行垃圾收集时顺便进行了。一般采用的都是基于计数器的热点探测，基于计数器的热点探测又有两个计数器，方法调用计数器，回边计数器，他们在C1和C2又有不同的阈值
 *  **汇编计数器**统计一个方法体重循环体代码执行的次数，在字节码中遇到控制流向后跳转的指令称为汇编，显然，建立汇编计数器的目的就是为了触发OSR编译。没有计数热度衰减的过程，因此这个计数器统计的就是该方法执行循环的绝对次数，当计数器溢出的时候它还会把方法计数器的值也调整到溢出的状态，这样下去在再次进入该方法的时候就会执行标准编译过程。

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![极客时间.深入拆解Java虚拟机][._Java]

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