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hi ，大家好，我是極客重生的Alex，今天分享一篇JVM底層原理的文章，希望可以幫助大家了解一下語(yǔ)言虛擬機(jī)一些設(shè)計(jì)原理，不管你當(dāng)前使用語(yǔ)言是C，C++，Golang，Python等，很多思想和原理是相通的，可以借鑒。

比如之前分析內(nèi)核虛擬機(jī)eBPF架構(gòu)：

詳細(xì)請(qǐng)看：Linux網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)基石 |eBPF and XDP

在本文中，您將學(xué)習(xí)

• JVM架構(gòu)
• 軟件代碼編譯執(zhí)行流程
• C代碼編譯執(zhí)行過(guò)程
• Java代碼編譯執(zhí)行過(guò)程
• 為什么Java既是解釋型語(yǔ)言又是編譯型語(yǔ)言?
• 為什么 Java 很慢?

什么是JVM?

Java 虛擬機(jī) (JVM)是提供運(yùn)行時(shí)環(huán)境來(lái)驅(qū)動(dòng) Java 代碼或應(yīng)用程序的引擎。它將 Java 字節(jié)碼轉(zhuǎn)換為機(jī)器語(yǔ)言。JVM 是 Java 運(yùn)行環(huán)境 (JRE) 的一部分。在其他編程語(yǔ)言中，編譯器為特定系統(tǒng)生成機(jī)器代碼。但是，Java編譯器為稱(chēng)為Java 虛擬機(jī)的虛擬機(jī)生成代碼。

JVM的工作原理

首先，Java 代碼被編譯成字節(jié)碼，這個(gè)字節(jié)碼在不同的機(jī)器上被解釋?zhuān)谥鳈C(jī)系統(tǒng)和 Java 源代碼之間，字節(jié)碼是一種中介語(yǔ)言，Java 中的 JVM 負(fù)責(zé)分配內(nèi)存空間。

Java 虛擬機(jī) (JVM) 的工作

JVM架構(gòu)

讓我們了解 JVM 的架構(gòu)。Java 中的 JVM 架構(gòu)包含類(lèi)加載器、內(nèi)存區(qū)、執(zhí)行引擎等。

Java 虛擬機(jī)架構(gòu)

1) 類(lèi)加載器

類(lèi)加載器是用于加載類(lèi)文件的子系統(tǒng)。它執(zhí)行三個(gè)主要功能，即。加載、鏈接和初始化。

2) 方法區(qū)

JVM 方法區(qū)存儲(chǔ)類(lèi)結(jié)構(gòu)，如元數(shù)據(jù)、常量運(yùn)行時(shí)池和方法代碼。

3) 堆

所有的Objects及其相關(guān)的實(shí)例變量和數(shù)組都存儲(chǔ)在堆中。此內(nèi)存是通用的，并在多個(gè)線程之間共享。

4) JVM 語(yǔ)言棧

Java 語(yǔ)言堆棧存儲(chǔ)局部變量，和部分結(jié)果，每個(gè)線程都有自己的 JVM 堆棧，在創(chuàng)建線程時(shí)同時(shí)創(chuàng)建。每當(dāng)調(diào)用方法時(shí)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的，并在方法調(diào)用過(guò)程完成時(shí)將其刪除。

5) PC 寄存器

PC 寄存器存儲(chǔ)當(dāng)前正在執(zhí)行的 Java 虛擬機(jī)指令的地址。在 Java 中，每個(gè)線程都有其獨(dú)立的 PC 寄存器。

6) 本地方法棧

本機(jī)方法棧持有本機(jī)代碼的指令取決于本機(jī)庫(kù)。它是用另一種語(yǔ)言而不是 Java 編寫(xiě)的。

7) 執(zhí)行引擎

它是一種用于測(cè)試硬件、軟件或完整系統(tǒng)的軟件。測(cè)試執(zhí)行引擎從不攜帶有關(guān)被測(cè)產(chǎn)品的任何信息。

8) 本地方法接口

本機(jī)方法接口是一個(gè)編程框架。它允許在 JVM 中運(yùn)行的 Java 代碼由庫(kù)和本機(jī)應(yīng)用程序調(diào)用。

9) 本地方法庫(kù)

本機(jī)庫(kù)是執(zhí)行引擎所需的本機(jī)庫(kù)(C、C++)的集合。

軟件代碼編譯執(zhí)行流程

為了編寫(xiě)和執(zhí)行軟件程序，您需要以下內(nèi)容

1) 編輯器 – 要輸入您的程序，可以使用記事本。

2) 編譯器 ——將您的高級(jí)語(yǔ)言程序轉(zhuǎn)換為本地機(jī)器代碼。

3) 鏈接器 ——將主程序中的不同程序文件引用組合在一起。

4) Loader – 將您的輔助存儲(chǔ)設(shè)備(如硬盤(pán)、閃存驅(qū)動(dòng)器、CD )中的文件加載到 RAM 中以供執(zhí)行。執(zhí)行代碼時(shí)會(huì)自動(dòng)完成加載。

5) 執(zhí)行– 由您的操作系統(tǒng)和處理器處理的代碼的實(shí)際執(zhí)行。

C代碼編譯執(zhí)行過(guò)程

了解Java中的Java編譯過(guò)程。首先讓我們快速了解一下 C 中的編譯和鏈接過(guò)程。

假設(shè)在 main 中，您調(diào)用了兩個(gè)函數(shù) f1 和 f2。main 函數(shù)存儲(chǔ)在文件 a1.c 中。

函數(shù) f1 存儲(chǔ)在文件 a2.c 中

函數(shù) f2 存儲(chǔ)在文件 a3.c 中

所有這些文件，即 a1.c、a2.c 和 a3.c，都被提供給編譯器。其輸出是相應(yīng)的目標(biāo)文件，即機(jī)器代碼。

下一步是在鏈接器的幫助下將所有這些目標(biāo)文件集成到一個(gè) .exe 文件中。鏈接器會(huì)將所有這些文件組合在一起并生成 .exe 文件。

在程序運(yùn)行過(guò)程中，加載程序會(huì)將 a.exe 加載到 RAM 中執(zhí)行。

Java VM 中的 Java 代碼編譯和執(zhí)行

讓我們看看 JAVA 的編譯執(zhí)行過(guò)程。在您的主文件中，您有兩個(gè)方法 f1 和 f2。

• main方法存放在文件a1.java中
• f1 作為 a2.java 存儲(chǔ)在文件中
• f2 作為 a3.java 存儲(chǔ)在文件中

編譯器將編譯這三個(gè)文件，并生成 3 個(gè)對(duì)應(yīng)的 .class 文件，其中包含字節(jié)碼。與 C 不同，沒(méi)有進(jìn)行鏈接。Java VM 或 Java 虛擬機(jī)駐留在 RAM 上。在執(zhí)行期間，使用類(lèi)加載器將類(lèi)文件帶到 RAM 中。字節(jié)碼已驗(yàn)證是否存在任何安全漏洞。

接下來(lái)，執(zhí)行引擎會(huì)將字節(jié)碼轉(zhuǎn)換為本地機(jī)器碼。這只是及時(shí)編譯，這是Java相對(duì)較慢的主要原因之一。

注意：JIT或即時(shí)編譯器是 Java 虛擬機(jī) (JVM) 的一部分。它同時(shí)轉(zhuǎn)化具有相似功能的部分字節(jié)碼。

為什么Java既是解釋型語(yǔ)言又是編譯型語(yǔ)言?

編程語(yǔ)言被分類(lèi)為

• 高級(jí)語(yǔ)言，例如C++、Java
• 中級(jí)語(yǔ)言，例如C
• 低級(jí)語(yǔ)言，例如匯編
• 最后是最低級(jí)別的機(jī)器語(yǔ)言。

編譯器是一個(gè)程序，它把程序從一個(gè)級(jí)別轉(zhuǎn)化到另外一個(gè)級(jí)別(一般是從高到低)，比如把C++ 程序轉(zhuǎn)化到機(jī)器碼。

java編譯器將高級(jí)java代碼轉(zhuǎn)換成字節(jié)碼(也是一種機(jī)器碼)。

解釋器是一個(gè)程序，它把程序轉(zhuǎn)化為相同等級(jí)的其他語(yǔ)言，比如把Java程序轉(zhuǎn)換成C++。

在 Java 中，Jit生成器將字節(jié)碼轉(zhuǎn)換為處于相同級(jí)別的本機(jī)機(jī)器代碼，因此，Java 既是編譯型語(yǔ)言，又是解釋型語(yǔ)言。

為什么 Java 很慢?

Java 運(yùn)行緩慢的兩個(gè)主要原因是

動(dòng)態(tài)鏈接：與 C 不同，鏈接是在運(yùn)行時(shí)完成的，每次程序在 Java 中運(yùn)行時(shí)。

運(yùn)行時(shí)解釋器：字節(jié)碼到本地機(jī)器碼的轉(zhuǎn)換是在 Java 運(yùn)行時(shí)完成的，這進(jìn)一步減慢了速度。

但是，最新版本的 Java 在很大程度上解決了性能瓶頸。

總結(jié)：

• JVM 的完整形式是Java Virtual Machine.(Java虛擬機(jī))，Java 中的 JVM 是驅(qū)動(dòng) Java 代碼的引擎，它將 Java 字節(jié)碼轉(zhuǎn)換為機(jī)器語(yǔ)言。
• Java 中的 JVM 架構(gòu)包含類(lèi)加載器、內(nèi)存區(qū)、執(zhí)行引擎等。
• 在 JVM 中，Java 代碼被編譯為字節(jié)碼。這個(gè)字節(jié)碼在不同的機(jī)器上被解釋成不同的機(jī)器碼。
• JIT 代表即時(shí)編譯器。JIT 是 Java 虛擬機(jī) (JVM) 的一部分。它用于加快執(zhí)行時(shí)間。
• 與其他編譯器機(jī)器相比，Java 中的 JVM 執(zhí)行速度可能較慢。