Java之Java程序与虚拟机

Java为什么要在虚拟机中运行

简单的来说,Java作为一门高级程序语言,语法复杂,抽象度高,不能直接翻译为机器码在机器上运行,所以设计者就设计了虚拟机,通过编译器将Java程序转换成虚拟机所能识别的指令码,也就是Java字节码,Java字节码会被虚拟机翻译为可以被机器识别的机器码.这也实现了Java的跨平台
虚拟机的第二个好处就是带来了一个托管环境,托管环境能够代替我们处理代码中冗余并且容易出错的部分,比如自动内存管理,垃圾回收. 还有诸如数组越界、动态类型、安全权限等等动态监测.

Java如何在虚拟机中运行的

从虚拟机角度来看,执行Java代码首先需要将它编译而成的class文件加载到虚拟机中.加载后的Java类会被存放与方法区(Method Area)中,运行时,虚拟机执行方法区内的代码

Java虚拟机如何存储运行时的数据

Java虚拟机在内存中划分出堆和栈来存储运行时数据.并且将栈细分为面向Java方法的Java方法栈,面向本地方法的本地方法栈,以及存放各个线程执行位置的PC寄存器.

运行的过程中,每当调用一个方法,Java虚拟机会在当前线程的Java方法栈中生成一个栈帧,存放局部变量以及字节码操作数.这个栈帧大小提前计算好,而且Java虚拟机不要求栈帧在内存空间中连续分步.退出执行方法时,Java虚拟机会弹出当前线程的当前栈帧,并舍弃.

前面说到Java字节码会被虚拟机翻译成机器码,那是如何翻译的呢?有两种形式:第一种是解释执行,也就是逐条将字节码翻译成机器码并执行,优势是无需等待编译.第二种是即时编译(JIT),也就是将一个方法中包含的所有字节码编译成机器码后再执行,优势在于实际运行速度很快.而我们常用的HotSpot虚拟机默认采用混合模式,综合了解释执行和即时编译两者的优点,先解释执行字节码,而后将反复执行的热点代码,以方法为单位进行即时编译.

运行效率如何

前面说的极是编译就是用来提升性能以及峰值性能,它是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百分之八十的计算资源.

如何理解?对于占据大部分不常用的代码,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,对于占据小部分的热点代码,将其编译器成机器码,提高运行速度.

HotSpot 内置了多个即时编译器：C1、C2 和 Graal。Graal 是
Java 10 正式引入的实验性即时编译器,InfoQ上有个介绍(http://www.infoq.com/cn/articles/Graal-Java-JIT-Compiler?utm_source=articles_about_java&utm_medium=link&utm_campaign=java),有兴趣的可以了解下.

C1 又叫做 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 又叫做 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。

Java7开始,HotSpot默认采取分层编译:热点方法首先被C1编译,而后热点方法中的热点会进一步被C2编译.

总结

之所以要在虚拟机中运行，是因为它提供了可移植性。一旦 Java 代码被编译为 Java 字节码，便可以在不同平台上的 Java 虚拟机实现上运行。此外，虚拟机还提供了一个代码托管的环境，
代替我们处理部分冗长而且容易出错的事务，例如内存管理。

Java 虚拟机将运行时内存区域划分为五个部分，分别为方法区、堆、PC 寄存器、Java 方法栈和本地方法栈。Java 程序编译而成的 class 文件，需要先加载至方法区中，方能在 Java 虚拟机
中运行。

为了提高运行效率，标准 JDK 中的 HotSpot 虚拟机采用的是一种混合执行的策略。

它会解释执行 Java 字节码，然后会将其中反复执行的热点代码，以方法为单位进行即时编译，翻译成机器码后直接运行在底层硬件之上。

HotSpot 装载了多个不同的即时编译器，以便在编译时间和生成代码的执行效率之间做取舍。