第一章 第二节 Java语言的运行机制

Posted 2021-01-15 zhiweijq

1、Java语言的运行机制

　　首先，我们介绍一下什么是计算机语言。对于计算机来说，真正能够直接执行的是所谓的"计算机指令"。这种计算机指令，一方面跟着操作系统有关，也就是说，Windows系统和Linux系统下的指令不同。另一方面说，也跟计算机的硬件有关系，不同的CPU具有不同的指令集。

　　直接操作计算机指令，使用的是计算机语言以及汇编语言。然而，对于程序员来说，直接使用汇编语言来编写程序进行开发是非常慢的，为了能让程序开发的速度提升，设计出了计算机高级语言。

　　所谓的计算机高级语言，实际上指的是：人为规定的一些语法。然而在遵循这些语法的前提下，写出一个文本文件，之后利用某种方式，把文本文件转化为机器指令进行执行。我们现在所谓的编程，往往指的就是编写文本文件这个部分。这个文本文件一般我们称之为源文件。

　　那么，如何把一个源文件转化成为机器指令进行执行呢？在现代计算机语言中，主要有两种方式：一种是编译型，一种是解释型。

　　什么叫编译型语言呢？指的是，通过一个编译器软件把源文件转化为可执行文件。可执行文件的内容就是一些机器指令，以及相关的一些数据。在Windows中，可执行文件往往以.exe作为后缀。在执行程序的时候，不需要源代码文件，只需要可执行文件即可。

　　示意如下：源文件 ——> 编译器——> 可执行文件（运行可执行文件）——>机器指令

　　与编译型语言相对的是解释型语言。解释型语言需要一个解释器软件。这个软件会读取源文件，在读源文件的过程中，同时完成将源文件内容翻译成机器指令以及执行的过程。换句话说，解释器将读取源文件、翻译成机器指令、执行指令这三步同时完成。

　　示意如下：文本文件——>解释器——>直接翻译成机器指令

　　由此可知，编译型语言在将源文件编译成可执行文件之后，运行程序只需要可执行文件，不在需要重复编译源文件的过程。而解释型语言每次运行时必须重复翻译源文件，因此从运行效率上来说，解释型语言远远不如编译型语言。

　　当然，解释型语言也有自己的优势：跨平台型比较好。由于编译型语言运行时只需要可执行文件，而可执行文件又与平台紧密相连，这就意味着，对于不同的平台，必须要有不同的可执行文件。而相对于解释型语言而言，对于不同的平台，只需要有不同的解释器就可以了，源代码几乎不用进行修改。

　　而Java语言，则兼有编译型和解释型两种语言的特点：Java语言运行时，采用的是先编译、后解释的方式运行。

　　首先，Java源代码要以后缀为.java的源文件。然后，通过一个编译器，编译生成.class文件，这个文件被称之为"二进制字节码文件"。

　　而.class文件并不能够直接在机器上运行。执行.class文件需要一个解释器，这个解释器会把.class文件翻译成真正机器上的指令。也就是说，需要解释执行.class文件。

　　示意如下：.java源文件——>编译——>.class字节码文件——>解释执行——>真正的机器指令

　　字节码文件是平台中立的，也就是说，运行在不同平台上的.class文件内容相同，与所在的平台无关。

　　那么.class文件保存的是什么内容呢？这个文件保存的也是计算机指令。所不同的是，这些计算机指令不是真实计算机所拥有的指令，而是一些虚拟的指令。在解释执行.class文件指令时，为了能让这些虚拟的计算机指令能够转换成真正的计算机指令。我们需要一个Java虚拟机（Java Virtual Machine，简称JVM）。

　　JVM事实上是一个软件，这个软件为Java程序模拟出一个统一的运行环境。Java程序只需要适应这个虚拟的环境。而与底层真正的硬件环境以及操作系统环境无关。换句话说：JVM的作用在于，它屏蔽了不同操作系统之间的差异。

　　JVM接收.class文件中的虚拟指令，这些指令很类似于真正的汇编语言指令，但这些指令与底层的操作系统平台和硬件平台无关，完全是另外设计出的一套独立体系。而不同平台下的JVM，在执行时，会把.class文件中的虚拟机指令翻译成对应平台上真正的计算机指令。因此，上面的示意如下：

　　.java源文件——>编译——>.class文件（二进制字节码文件）——>在JVM中解释执行——>真正的机器指令

　　Java语言这种"先编译，后解释"的运行机制。使得其同时拥有了编译型语言的高效性和解释型语言的跨平台性，Sun公司给出了最好的解释"Write once, run anywhere"。