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JVM是怎样运行Java代码的

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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。

JVM是怎样运行Java代码的

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。

JVM是怎样运行Java代码的

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。

JVM是怎样运行Java代码的

整个 Java 代码执行过程如下：

  1. 使用 javac 把 .java 源文件编译为字节码（文件后缀名为 .class）

  2. 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）

  3. 热点代码使用 JIT 编译为可执行的机器码

  4. 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：

  1. 被多次调用的方法

  2. 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：

  1. 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。

  2. 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）。

到此，关于“JVM是怎样运行Java代码的”的学习就结束了，希望能够解决大家的疑惑。理论与实践的搭配能更好的帮助大家学习，快去试试吧！若想继续学习更多相关知识，请继续关注创新互联网站，小编会继续努力为大家带来更多实用的文章！


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