如果你是一名 Java 开发人员，你肯定指定 Java 代码有很多种不同的运行方式。比如说可以在开发工具（IDEA、Eclipse等）中运行，可以双击执行 jar 文件运行，也可以在命令行中运行，甚至可以在网页（比如各种 OJ）中运行。当然，这些执行方式都离不开 JRE（Java 运行时环境）。
JRE 包含运行 Java 程序的必需组件，包括 JVM（Java 虚拟机）以及 Java 核心类库等。Java 程序员经常接触到的 JDK（Java 开发工具包）同样包含了 JRE，并且还附带了一系列开发、诊断工具。
本篇文章主要针对以下两个问题和大家一起探讨：
- 为什么需要 JVM？
- JVM 是怎样运行 Java 代码的呢？
为什么需要 JVM？
Java 的一个非常重要的特点就是与平台的无关性，而使用 JVM 是实现这一特点的关键。Java 作为一门高级程序语言，语法复杂，抽象程度高。因此，直接在硬件上运行这种复杂的程序并不现实。所以在运行 Java 程序之前，我们需要对其进行转换。
设计一个面向 Java 语言特性的虚拟机，并通过编译器将 Java 程序转换成该虚拟机所能识别的指令序列（因为 Java 字节码指令的操作码（opcode）被固定为一个字节，故又称 Java 字节码）。
JVM 一般是在各个现有平台（如 Windows、Linux）上提供软件实现，这样可以使一旦一个程序被转换成 Java 字节码，那么便可以在不同平台上的虚拟机实现里运行（一次编写，到处运行）。
JVM 另外一个好处是带有托管环境（Managed Runtime），托管环境能够代替处理一些代码中冗长而且容易出错的部分，其中包括自动内存管理与垃圾回收（GC）。
另外，托管环境还提供了诸如数组越界、动态类型、安全权限等等的动态检测，使我们免于书写这些无关业务逻辑的代码。
JVM 是怎样运行 Java 代码的呢？
JVM 具体是怎么运行 Java 字节码的呢？下面我们一起来看一下：
从 JVM 来看，执行 Java 代码首先需要将它编译而成的 class 文件加载到 JVM 中。加载后的 Java 类会被存放于方法区（Method Area）中。实际运行时，JVM 会执行方法区内的代码。
JVM 会在内存中划分出堆和栈来存储运行时数据，JVM 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。
在运行过程中，每当调用进入一个 Java 方法，JVM 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。栈帧的大小是提前计算好的，而且 JVM 不要求栈帧在内存空间里连续分布。
当退出当前执行的方法时，不管是正常返回还是异常返回，JVM 均会弹出当前线程的当前栈帧，并将之舍弃。
从硬件视角来看，Java 字节码无法直接执行。因此，JVM 需要将字节码翻译成机器码。
在 HotSpot 里面，上述翻译过程有两种形式：第一种是解释执行（interpreter），即逐条将字节码翻译成机器码并执行；第二种是即时编译（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。
前者的优势在于无需等待编译，而后者的优势在于实际运行速度更快。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，而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。
整个 Java 代码执行过程如下：
- 使用 javac 把 .java 源文件编译为字节码（文件后缀名为 .class）
- 字节码经过 JIT 环境变量进行判断，是否属于热点代码（多次调用的方法或循环体）
- 热点代码使用 JIT 编译为可执行的机器码
- 非热点代码使用解释器解释执行所有字节码
其中，在运行过程中会被即时编译的热点代码有两类：
- 被多次调用的方法
- 被多次执行的循环体
针对第一类，编译器会将整个方法作为编译对象，这也是标准的 JIT 编译方式。对于第二类是由循环体出发的，但是编译器依然会以整个方法作为编译对象，因为发生在方法执行过程中，称为栈上替换。
HotSpot 采用了多种技术来提升启动性能以及峰值性能，刚刚提到的即时编译便是其中最重要的技术之一。
即时编译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。
对于占据大部分的不常用的代码，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；另一方面，对于仅占据小部分的热点代码，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，HotSpot 内置了多个即时编译器：C1、C2。之所以引入多个即时编译器，是为了在编译时间和生成代码的执行效率之间进行取舍。
- C1 （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，因此编译时间较短。
- C2 （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，因此编译时间较长，但同时生成代码的执行效率较高。
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。
为了不干扰应用的正常运行，HotSpot 的即时编译是放在额外的编译线程中进行的。HotSpot 会根据 CPU 的数量设置编译线程的数目，并且按 1:2 的比例配置给 C1 及 C2 编译器。
在计算资源充足的情况下，字节码的解释执行和即时编译可同时进行。编译完成后的机器码会在下次调用该方法时启用，以替换原本的解释执行。
其中判断一段代码是否为热点代码，是不是需要触发即时编译，这样的行为称为热点探测（Hot Spot Detection），探测算法有两种：
- 基于采样的热点探测（Sample Based Hot Spot Detection）：虚拟机会周期的对各个线程栈顶进行检查，如果某些方法经常出现在栈顶，这个方法就是热点方法。优点是实现简单、高效，很容易获取方法调用关系。缺点是很难确认方法的 reduce，容易受到线程阻塞或其他外因扰乱。
- 基于计数器的热点探测（Counter Based Hot Spot Detection）：为每个方法（甚至是代码块）建立计数器，执行次数超过阈值就认为是热点方法。优点是统计结果精确严谨。缺点是实现麻烦，不能直接获取方法的调用关系。
HotSpot 使用的是第二种-基于计数器的热点探测，并且有两类计数器：方法调用计数器（Invocation Counter）和回边计数器（Back Edge Counter）。
总结
这篇文章主要介绍了为什么需要 JVM 以及 JVM 是怎样运行 Java 代码的。
为什么需要 JVM：
- 提供了可移植性。一次编译，到处执行。
- 提供了代码托管的环境，代替处理部分冗长而且容易出错的部分。
JVM 将运行时内存区域划分为五个部分，分别为方法区、堆、PC 寄存器、Java 方法栈和本地方法栈。Java 程序编译而成的 class 文件，需要先加载至方法区中，方能在 JVM 中运行。
为了提高运行效率，HotSpot 虚拟机采用的是一种混合执行的策略，会解释执行 Java 字节码，然后会将其中反复执行的热点代码，以方法为单位进行即时编译，翻译成机器码后直接运行在底层硬件之上。
HotSpot 装载了多个不同的即时编译器，以便在编译时间和生成代码的执行效率之间做取舍。
判断热点代码的探测算法包括基于采样和基于计数器两种，HotSpot 采用基于计数器的热点探测，计数器又分为方法调用计数器和回边计数器。
