Java运行原理

Posted 2021-01-23

在研究Java运行原理之前，我们先把视野放宽一点：一般的高级语言是如何工作的？我们在编辑器或者IDE里根据每种语言的语法规则敲入源代码，这些代码我们很容易理解。很显然，这些代码肯定是以二进制存储在我们的硬盘当中，当我们再次打开的时候，编辑器读取这些二进制，还原成我们能读懂的英文。当我们真正运行程序的时候，CPU是读不懂这些英文的，所以我们需要先转化成可执行的二进制文件，这个过程通常由编译器完成。有些编译器直接将源代码编译成机器码，载入内存后CPU可以直接运行。而机器码的格式是跟具体的CPU架构相关的，Intel的CPU机器码对于ARM CPU来说是无法理解的。因此，同样的源代码需要根据不同的硬件进行特定的编译。好了，高级语言到低级语言的桥梁就是编译器。我们写好源代码，编译器将源码编译成可执行的机器码，然后CPU读取机器码，执行程序。可以说，Java这一语言的执行过程也遵循这样的过程：源代码--->机器码。 但是，从源代码到机器码之间，究竟经过什么样的过程，则是Java独一无二的了。宽泛地讲，Java源代码（.java)经过java编译器（javac.exe）编译之后，并没有直接转化为机器码，而是转化成一种中间格式，成为字节码(.class)，字节码再经过java虚拟机转化成特定CPU架构的机器码。也正是因为这一中间物，java才有所谓的跨平台。在windows平台上编译好的字节码，copy到linux平台后，经过为linux而设计的Java虚拟机解释后即可执行。跨平台这一特征，是通过字节码和JVM来实现的。因此，想搞清楚java程序到底是如何运行的，重点在于弄明白字节码是如何被转化成跟CPU架构相关的机器码然后被执行的。也就是要理解JVM到底是如何工作的。在了解JVM之前，我们再跳出来一下，先看看什么是虚拟机。所谓虚拟机，我是这么理解的：用软件的方式模拟出跟硬件类似的环境，比如说寄存器、存储器等等。当然，所有最终的工作还是由原来的CPU来完成。比如说VirtualBox这个虚拟机产品，它其实就是一个应用程序，用某种编程语言编写的应用程序。当运行这个应用程序时，它会要求操作系统给它独立施展手脚的空间：给我一些内存，给我一定的CPU时间片，然后不用管我了。你可能会问，寄存器是硬件啊，它怎么能划分啊，难道是时间划分？不是的，像内存这样的硬件，可以给虚拟机一块独立的内存块，但是寄存器之后的，则需要用“模拟仿真”的方式来模拟。OK，回到Java虚拟机。到底什么是Java虚拟机，很难有一个十分明确的定义，狭窄一点说，它就是一个应用程序，大部分用C++编写的。宽泛地说，它就是执行字节码的一整个环境。
从上面这一张图可以看出来，JVM完成了字节码带机器码的所有相关工作。它从文件系统中将字节码文件载入到操作系统分配给Java虚拟机的内存当中，然后解释字节码，转化成机器码，然后经由操作系统到达CPU运行。整个执行过程如下图所示：