前言

作為一名Java程序員，我們需要知道Java代碼是怎么運行的。最近復習了深入理解Java虛擬機，做了一下總結，希望對大家有幫助，如果有不正確的地方，歡迎提出，感激不盡。

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java 代碼運行主要流程

本文主要講解流程如下：

• java源文件編譯為class字節(jié)碼
• 類加載器把字節(jié)碼加載到虛擬機的方法區(qū)。
• 運行時創(chuàng)建對象
• 方法調(diào)用，執(zhí)行引擎解釋為機器碼
• CPU執(zhí)行指令
• 多線程切換上下文

編譯

我們都知道，java代碼是運行在Java虛擬機上的。但是java是一門面向?qū)ο蟮母呒壵Z言，它不僅語法非常復雜，抽象程度也非常高，并不能直接運行在計算機硬件機器上。

Java虛擬機(Java Virtual Machine 簡稱JVM)是運行所有Java程序的抽象計算機，是Java語言的運行環(huán)境。

因此，在運行Java程序之前，需要編譯器把代碼編譯成java虛擬機所能識別的指令程序，這就是Java字節(jié)碼，即class文件。

所以，Java代碼運行的第一步是：把Java源代碼編譯成.class 字節(jié)碼文件。

類加載

在Class文件中描述的各種信息，需要被加載到虛擬機之后才能運行和使用。因此，需要把class字節(jié)碼文件加載到Java虛擬機來。

虛擬機把描述類的數(shù)據(jù)從 Class 文件加載到內(nèi)存，并對數(shù)據(jù)進行校驗、轉(zhuǎn)換解析和初始化，最終形成可以被虛擬機直接使用的 Java 類型，這就是虛擬機的類加載機制。

加載

在加載階段，虛擬機需要完成以下3件事情：

• 通過一個類的全限定名來獲取定義此類的二進制字節(jié)流。
• 將這個字節(jié)流所代表的靜態(tài)存儲結構轉(zhuǎn)化為方法區(qū)的運行時數(shù)據(jù)結構。
• 在內(nèi)存中生成一個代表這個類的java.lang.Class對象，作為方法區(qū)這個類的各種數(shù)據(jù)的訪問入口

加載階段完成后，這些二進制字節(jié)流按照虛擬機所需的格式存儲在方法區(qū)之中。

驗證

為了確保Class文件的字節(jié)流中包含的信息符合當前虛擬機的要求，不會危害虛擬機的安全，Java虛擬機對輸入的字節(jié)流走驗證過程。

驗證階段包括四個階段：文件格式驗證、元數(shù)據(jù)驗證、字節(jié)碼驗證、符號引用驗證。

• 文件格式驗證： 驗證字節(jié)流是否符合Class文件格式規(guī)范，如：是否以魔數(shù)0xCAFEBABE開頭。
• 元數(shù)據(jù)驗證： 對字節(jié)碼描述的信息進行語義分析，如：這個類的父類是否繼承了不允許被繼承的類(被final修飾的類);
• 字節(jié)碼驗證： 主要目的是通過數(shù)據(jù)流和控制流分析，確定程序語義是合法的、符合邏輯的。如：保證跳轉(zhuǎn)指令不會跳轉(zhuǎn)到方法體以外的字節(jié)碼指令上。
• 符號引用驗證： 發(fā)生在虛擬機將符號引用轉(zhuǎn)化為直接引用的時候，如：校驗符號引用中通過字符串描述的全限定名是否能找到對應的類。

準備

準備階段是正式為類變量分配內(nèi)存并設置類變量初始值，這些變量所使用的內(nèi)存都將在方法區(qū)中進行分配。如：

public static int value =123; 

變量value在準備階段過后的初始值是0而不是123。

解析

解析階段是虛擬機將常量池內(nèi)的符號引用替換為直接引用的過程。

比如:com.User類引用com.Tool類，在編譯時，User類不知道Tool類的實際內(nèi)存地址，因此只能使用符號com.Tool(假設)來表示。而在類加載加載User類的時候，可以通過虛擬機獲取Tool類的實際內(nèi)存地址，因此便可以將符號com.Tool替換為Tool類的實際內(nèi)存地址，即直接引用地址。

解析動作主要針對類或接口、字段、類方法、接口方法、方法類型、方法句柄和調(diào)用點限定符 7 類符號引用進行。

初始化

到了初始化階段，才真正開始執(zhí)行類中定義的Java字節(jié)碼。在這個階段，則根據(jù)程序員通過程序制定的主觀計劃去初始化類變量和其他資源。

創(chuàng)建對象

Java虛擬機是如何執(zhí)行字節(jié)碼的呢?我們先來看一下運行時創(chuàng)建對象。

Java是面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，程序的運行是以對象為調(diào)用單位的。

• 字節(jié)碼文件加載到虛擬機的方法區(qū)后，在程序運行過程，通過 class字節(jié)碼文件創(chuàng)建與其對應的對象信息 。
• 創(chuàng)建對象的方式有：new關鍵字，反射等。
• Java堆內(nèi)存是線程共享的區(qū)域，創(chuàng)建后的對象信息就保存在Java堆內(nèi)存中。

方法調(diào)用

JVM的調(diào)用單位是對象，但是真正執(zhí)行功能性的代碼還是對象上的方法。

在運行過程中，每當調(diào)用進入一個java方法，java虛擬機會在當前線程的java方法棧中生成一個棧幀，用以存放局部變量以及字節(jié)碼的操作數(shù)。方法棧內(nèi)存是線程私有的，每個線程都有自己的方法棧。如果對應的方法是本地方法，則對應的就是本地方法棧。

java運行時數(shù)據(jù)區(qū)域如下：

解釋

當調(diào)用Java對象的某個方法時，JVM執(zhí)行引擎會將該方法的字節(jié)碼文件翻譯成計算機所能識別的機器碼，機器碼信息保存在方法區(qū)中。翻譯有解釋執(zhí)行和即時編譯兩種方式。

兩種翻譯方式的區(qū)別如下：

解釋執(zhí)行

來一行代碼，解釋一行，大部分不常用的代碼，都是采用這種方式。

即使編譯

對于部分熱點代碼，將一個方法包含的所有字節(jié)碼翻譯成機器指令，以提高java虛擬機的運行效率。

即時編譯是建立經(jīng)典的二八定律上，即20%代碼占據(jù)了80%的計算資源。

執(zhí)行指令

• Java程序被加載入內(nèi)存后，指令也在內(nèi)存中了。
• 指令的指令寄存器IP，指向下一條待執(zhí)行指令的地址。
• CPU的控制單元根據(jù)IP寄存器的指向，將主存中的指令裝載到指令寄存器，這些加載的指令就是一串二進制碼，還需要譯碼器進行解碼。
• 解碼后，如果需要獲取操作數(shù)，則從內(nèi)存中取數(shù)據(jù)，調(diào)用運算單元進行計算。

多線程上下文切換

CPU一通上電，就會周而復始從內(nèi)存中獲取指令、譯碼、執(zhí)行。

• 為了支持多任務，CPU 將執(zhí)行時間這個資源劃分成時間片，每個程序執(zhí)行一段時間。
• java虛擬機的多線程是通過線程輪流切換分配處理執(zhí)行時間的方式來實現(xiàn)的，在任何一個確定的時刻，一個處理器(對于多核處理器來說是一個內(nèi)核)都只會執(zhí)行一條程序中的指令。
• 假設當前線程在運行中，CPU分配的時間執(zhí)行完了，總得保存運行過的結果信息吧，要不然白白浪費之前的工作了，因此，程序計數(shù)器(PC寄存器)作用體現(xiàn)出來了，它是一塊較小的內(nèi)存空間，線程私有，可以看作當前線程執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器。當CPU又給它分配時間跑的時候，可以把數(shù)據(jù)恢復，接著上一次執(zhí)行到的位置繼續(xù)執(zhí)行就可以了。