Java運行原理

在研究Java運行原理之前，我們先把視野放寬一點：一般的高級語言是如何工作的？我們在編輯器或者IDE里根據每種語言的語法規則敲入源代碼，這些代碼我們很容易理解。很顯然，這些代碼肯定是以二進制存儲在我們的硬盤當中，當我們再次打開的時候，編輯器讀取這些二進制，還原成我們能讀懂的英文。當我們真正運行程序的時候，CPU是讀不懂這些英文的，所以我們需要先轉化成可執行的二進制文件，這個過程通常由編譯器完成。有些編譯器直接將源代碼編譯成機器碼，載入內存後CPU可以直接運行。而機器碼的格式是跟具體的CPU架構相關的，Intel的CPU機器碼對於ARM CPU來說是無法理解的。因此，同樣的源代碼需要根據不同的硬件進行特定的編譯。好了，高級語言到低級語言的橋樑就是編譯器。我們寫好源代碼，編譯器將源碼編譯成可執行的機器碼，然後CPU讀取機器碼，執行程序。可以說，Java這一語言的執行過程也遵循這樣的過程：源代碼--->機器碼。 但是，從源代碼到機器碼之間，究竟經過什麼樣的過程，則是Java獨一無二的了。寬泛地講，Java源代碼（.java)經過java編譯器（javac.exe）編譯之後，並沒有直接轉化爲機器碼，而是轉化成一種中間格式，成爲字節碼(.class)，字節碼再經過java虛擬機轉化成特定CPU架構的機器碼。也正是因爲這一中間物，java纔有所謂的跨平臺。在windows平臺上編譯好的字節碼，copy到linux平臺後，經過爲linux而設計的Java虛擬機解釋後即可執行。跨平臺這一特徵，是通過字節碼和JVM來實現的。因此，想搞清楚java程序到底是如何運行的，重點在於弄明白字節碼是如何被轉化成跟CPU架構相關的機器碼然後被執行的。也就是要理解JVM到底是如何工作的。在瞭解JVM之前，我們再跳出來一下，先看看什麼是虛擬機。所謂虛擬機，我是這麼理解的：用軟件的方式模擬出跟硬件類似的環境，比如說寄存器、存儲器等等。當然，所有最終的工作還是由原來的CPU來完成。比如說VirtualBox這個虛擬機產品，它其實就是一個應用程序，用某種編程語言編寫的應用程序。當運行這個應用程序時，它會要求操作系統給它獨立施展手腳的空間：給我一些內存，給我一定的CPU時間片，然後不用管我了。你可能會問，寄存器是硬件啊，它怎麼能劃分啊，難道是時間劃分？不是的，像內存這樣的硬件，可以給虛擬機一塊獨立的內存塊，但是寄存器之後的，則需要用“模擬仿真”的方式來模擬。OK，回到Java虛擬機。到底什麼是Java虛擬機，很難有一個十分明確的定義，狹窄一點說，它就是一個應用程序，大部分用C++編寫的。寬泛地說，它就是執行字節碼的一整個環境。
從上面這一張圖可以看出來，JVM完成了字節碼帶機器碼的所有相關工作。它從文件系統中將字節碼文件載入到操作系統分配給Java虛擬機的內存當中，然後解釋字節碼，轉化成機器碼，然後經由操作系統到達CPU運行。整個執行過程如下圖所示：