jvm原理和代码运行的过程

一次编译，到处运行

java一直宣传的口号是：一次编译，到处运行。那么它如何实现的呢？我们看下图：

graph TD
java原程序--javac编译-->java字节码
java字节码-->jvm虚拟机
jvm虚拟机--java解释-->windows机器码
jvm虚拟机--java解释-->linux机器码
windows机器码-->windows执行
linux机器码-->linux执行

java程序经过一次编译之后，将java代码编译为字节码也就是class文件，然后在不同的操作系统上依靠不同的java虚拟机进行解释，最后再转换为不同平台的机器码，最终得到执行。这样我们是不是可以推演，如果要在mac系统上运行，是不是只需要安装mac java虚拟机就行了。那么了解了这个基本原理后，我们来看一下，一段程序是如何执行的。

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.print("Hello world");
    }
}

这段程序从编译到运行,所经历的过程如下：

graph TD
java源代码--class文件-->java字节码
java字节码--加载jvm.cfg文件-->加载配置
加载配置--根据jvm.cfg的配置-->加载jvm.dll文件
加载jvm.dll文件-->初始化jvm
初始化jvm-->获取JNI接口
获取JNI接口--JNI为本地方法他可以直接与操作系统交互-->操作Class文件
操作Class文件-->找到main文件执行

jvm基本结构

可能通过上面的描述，大家对JVM运行流程有了一个粗略的认识，那么JVM内部到底是怎么执行一个class文件的呢?

graph TD
Class文件-->类加载器
类加载器-->内存空间
内存空间--运行时常量池-->方法区
方法区-->垃圾回收GC
内存空间--对象存储-->java堆
java堆-->垃圾回收GC
内存空间--局部变量表_栈帧_操作数-->java栈
java栈--线程结束自动释放-->线程私有
内存空间--本地方法库_C语言-->本地方法栈
本地方法栈-->线程私有
内存空间--JNI直接操作-->堆外内存

jvm内存分类介绍

JVM内存空间包含：方法区、java堆、java栈、本地方法栈。

1. 方法区是各个线程共享的区域，存放类信息、常量、静态变量。

2. java堆也是线程共享的区域，我们的类的实例就放在这个区域，可以想象你的一个系统会产生很多实例，因此java堆的空间也是最大的。如果java堆空间不足了，程序会抛出OutOfMemoryError异常。

3. java栈是每个线程私有的区域，它的生命周期与线程相同，一个线程对应一个java栈，每执行一个方法就会往栈中压入一个元素，这个元素叫“栈帧”，而栈帧中包括了方法中的局部变量、用于存放中间状态值的操作栈,如果java栈空间不足了，程序会抛出StackOverflowError异常.

每个帧代表一个方法，Java方法有两种返回方式，return和抛出异常，两种方式都会导致该方法对应的帧出栈和释放内存。

1. 本地方法栈角色和java栈类似，只不过它是用来表示执行本地方法的，本地方法栈存放的方法调用本地方法接口，最终调用本地方法库，实现与操作系统、硬件交互的目的。

2. PC寄存器（程序计数器），说到这里我们的类已经加载了，实例对象、方法、静态变量都去了自己改去的地方，那么问题来了，程序该怎么执行，哪个方法先执行，哪个方法后执行，这些指令执行的顺序就是PC寄存器在管，它的作用就是控制程序指令的执行顺序。

执行引擎当然就是根据PC寄存器调配的指令顺序，依次执行程序指令。

• 静态变量+常量+类信息+运行时常量池存在方法区中，实例变量存在堆内存中。
• 基本类型的变量和对象的引用变量都是在函数的栈内存中分