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计算机为何可以运行Java代码?(上)

简介: 计算机为何可以运行Java代码?
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Java代码有很多种不同的运行方式。比如说可以在开发工具中运行,可以双击执行jar文件运行,也可以在命令行中运行,甚至可以在网页。

这些执行方式都离不开JRE,Java运行时环境。


JRE仅包含运行Java程序的必需组件,包括Java虚拟机以及Java核心类库等。我们Java程序员经常接触到的JDK(Java开发工具包)同样包含了JRE,并且还附带了一系列开发、诊断工具。


然而,运行C++代码则无需额外的运行时。往往把这些代码直接编译成CPU所能理解的代码格式,即机器码。


比如下图的中间列,就是用C语言写的Helloworld程序的编译结果。

C程序编译而成的机器码就是一个个的字节,它们是给机器读的。那为让开发人员也能理解,用反汇编器将其转换成汇编代码(如下图的最右列所示)。

; 最左列是偏移;中间列是给机器读的机器码;最右列是给人读的汇编代码
0x00:  55                    push   rbp
0x01:  48 89 e5              mov    rbp,rsp
0x04:  48 83 ec 10           sub    rsp,0x10
0x08:  48 8d 3d 3b 00 00 00  lea    rdi,[rip+0x3b] 
                                    ; 加载"Hello, World!\n"
0x0f:  c7 45 fc 00 00 00 00  mov    DWORD PTR [rbp-0x4],0x0
0x16:  b0 00                 mov    al,0x0
0x18:  e8 0d 00 00 00        call   0x12
                                    ; 调用printf方法
0x1d:  31 c9                 xor    ecx,ecx
0x1f:  89 45 f8              mov    DWORD PTR [rbp-0x8],eax
0x22:  89 c8                 mov    eax,ecx
0x24:  48 83 c4 10           add    rsp,0x10
0x28:  5d                    pop    rbp
0x29:  c3                    ret

为什么Java要在虚拟机里运行?

Java作为一门高级程序语言,它的语法非常复杂,抽象程度也很高。因此,直接在硬件上运行这种复杂的程序并不现实。所以呢,在运行Java程序之前,需要对其进行一番转换。

转换怎么操作

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,即Java字节码。

之所以这么取名,是因为Java字节码指令的操作码(opcode)被固定为一个字节。


下图的中间列,正是用Java写的Helloworld程序编译而成的字节码。可以看到,它与C版本的编译结果一样,都是由一个个字节组成的。

同样可以将其反汇编为人类可读的代码格式(如下图的最右列所示)。

Java版本的编译结果相对精简一些,Java虚拟机相对于物理机而言,抽象程度更高。


/

# 最左列是偏移;中间列是给虚拟机读的机器码;最右列是给人读的代码
0x00:  b2 00 02         getstatic java.lang.System.out
0x03:  12 03            ldc "Hello, World!"
0x05:  b6 00 04         invokevirtual java.io.PrintStream.println
0x08:  b1               return

Java虚拟机常见的是在各个现有平台(如Windows_x64、Linux_aarch64)上提供软件实现。一旦一个程序被转换成Java字节码,便可在不同平台上的虚拟机实现里运行,即“一次编写,到处运行”。


虚拟机的另外一个好处是它带来托管环境(Managed Runtime),代替我们处理一些代码中冗长而且容易出错的部分。自动内存管理与垃圾回收,这部分内容甚至催生了一波垃圾回收调优。


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。

Java虚拟机具体是怎样运行Java字节码的?

以标准JDK中的HotSpot虚拟机为例,从虚拟机以及底层硬件两个角度,给你讲一讲Java虚拟机具体是怎么运行Java字节码的。


虚拟机视角,执行Java代码首先要将它编译而成的class文件加载到Java虚拟机。

加载后的Java类会被存放于方法区(Method Area)。实际运行时,虚拟机会执行方法区内的代码。


这和段式内存管理中的代码段类似。而且,Java虚拟机同样也在内存中划分出堆和栈来存储运行时数据。


但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(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。


image.png

image.png

运行过程中,每当调用进入一个Java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的操作数。这个栈帧的大小是提前计算好的,而且Java虚拟机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、异常返回,Java虚拟机均会弹出当前线程的当前栈帧,并舍弃。


硬件视角,Java字节码无法直接执行。因此,Java虚拟机需要将字节码翻译成机器码。

HotSpot翻译过程有两种形式:

  • 解释执行,逐条将字节码翻译成机器码并执行
    无需等待编译
  • 即时编译(Just-In-Time compilation,JIT),将一个方法中包含的所有字节码编译成机器码后再执行
    实际运行速度更快

image.png

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:

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。

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