Java代码是怎么运行的

Java代码是怎么运行的

Java作为一种广泛使用的高级编程语言，其运行机制在软件开发领域具有重要地位。Java代码的执行方式多样，但它们都离不开Java运行时环境（JRE），这是Java程序的必需组件，包含了Java虚拟机以及Java核心类库。与此相对，C++程序的运行则不需要额外的运行时环境，其编译器将C++代码编译成CPU可以直接理解的机器码。

尽管C++的运行方式成熟稳定，但为什么Java代码需要在虚拟机中运行？答案在于Java的语法复杂且抽象程度高，直接在硬件上运行Java代码并不实际。因此，运行Java程序前需要进行转换，其主要思路是设计一个面向Java语言特性的虚拟机，并通过编译器将Java程序转换为该虚拟机可识别的指令序列（Java字节码）。Java字节码指令的操作码被固定为一个字节，这使得Java程序能够在不同平台上的虚拟机实现中运行，体现了Java的跨平台特性。

Java虚拟机不仅能提供托管环境，还带来了诸多好处。托管环境能够处理一些代码中冗长且容易出错的部分，如自动内存管理和垃圾回收，这些功能甚至催生了垃圾回收调优的业务。此外，托管环境还提供了动态监测功能，如数组越界、动态类型和安全权限等，使得开发者不必为这些无关业务逻辑的代码编写代码。

HotSpot虚拟机作为JDK中的实现，通过从虚拟机和底层硬件两个角度来运行Java字节码。加载后的Java类被存放在方法区中，实际运行时执行该方法区内的代码。在内存中划分堆和栈来存储运行时的数据，其中Java虚拟机会将栈细分为面向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。当调用进入一个Java方法时，会在当前线程的Java方法栈中生成一个栈帧，存放局部变量和字节码的操作数。退出方法时，Java虚拟机弹出当前线程的栈帧并将其舍弃。

HotSpot虚拟机采用了多种技术来提升运行效率，其中最重要的技术是即时编译。即时编译基于程序符合二八定律的假设，即20%的代码占用了程序执行过程中80%的资源。对于常用的代码采用解释执行方式，而对于热点代码进行即时编译，以实现理想运行速度。HotSpot内置了多个即时编译器，如C1、C2和Graal，以在编译时间和生成代码的执行效率之间做出取舍。通过分层编译的方式，热点方法首先被C1编译，之后热点方法中的热点进一步被C2编译。

为了满足不同用户场景的需要，HotSpot将即时编译器的工作放在额外的编译线程中进行，以不干扰应用的正常运行。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以同时进行，编译完成后的机器码在下次调用时启用，以替换原本的解释执行。

本文从《深入理解Java虚拟机》专栏搬运而来，撰写本文的目的旨在为读者提供Java代码运行机制的深入理解，包括Java虚拟机的基本概念、运行流程以及HotSpot虚拟机的优化策略。2024-11-17