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你知道java的运行原理是什么吗
Java这一语言的执行过程也遵循这样的过程:源代码---机器码。 但是,从源代码到机器码之间,究竟经过什么样的过程,则是Java独一无二的了。宽泛地讲,Java源代码(.java)经过java编译器(javac.exe)编译之后,并没有直接转化为机器码,而是转化成一种中间格式,成为字节码(.class),字节码再经过java虚拟机转化成特定CPU架构的机器码。也正是因为这一中间物,java才有所谓的跨平台。在windows平台上编译好的字节码,copy到linux平台后,经过为linux而设计的Java虚拟机解释后即可执行。跨平台这一特征,是通过字节码和JVM来实现的。
因此,想搞清楚java程序到底是如何运行的,重点在于弄明白字节码是如何被转化成跟CPU架构相关的机器码然后被执行的。也就是要理解JVM到底是如何工作的。在了解JVM之前,我们再跳出来一下,先看看什么是虚拟机。所谓虚拟机,我是这么理解的:用软件的方式模拟出跟硬件类似的环境,比如说寄存器、存储器等等。当然,所有最终的工作还是由原来的CPU来完成。比如说VirtualBox这个虚拟机产品,它其实就是一个应用程序,用某种编程语言编写的应用程序。当运行这个应用程序时,它会要求操作系统给它独立施展手脚的空间:给我一些内存,给我一定的CPU时间片,然后不用管我了。你可能会问,寄存器是硬件啊,它怎么能划分啊,难道是时间划分?不是的,像内存这样的硬件,可以给虚拟机一块独立的内存块,但是寄存器之后的,则需要用“模拟仿真”的方式来模拟。OK,回到Java虚拟机。到底什么是Java虚拟机,很难有一个十分明确的定义,狭窄一点说,它就是一个应用程序,大部分用C++编写的。宽泛地说,它就是执行字节码的一整个环境。
java虚拟机工作原理?
从宏观上介绍一下Java虚拟机的工作原理。从最初编写的Java源文件(.java文件)是如何一步步执行的,如下图所示,首先Java源文件经过前端编译器(javac或ECJ)将.java文件编译为Java字节码文件,然后JRE加载Java字节码文件,载入系统分配给JVM的内存区,然后执行引擎解释或编译类文件,再由即时编译器将字节码转化为机器码。主要介绍下图中的类加载器和运行时数据区两个部分。
(1)类加载指将类的字节码文件(.class)中的二进制数据读入内存,将其放在运行时数据区的方法区内,然后在堆上创建java.lang.Class对象,封装类在方法区内的数据结构。类加载的最终产品是位于堆中的类对象,类对象封装了类在方法区内的数据结构,并且向JAVA程序提供了访问方法区内数据结构的接口。如下是类加载器的层次关系图。
启动类加载器(BootstrapClassLoader):在JVM运行时被创建,负责加载存放在JDK安装目录下的jre\lib的类文件,或者被-Xbootclasspath参数指定的路径中,并且能被虚拟机识别的类库(如rt.jar,所有的java.*开头的类均被Bootstrap ClassLoader加载)。启动类无法被JAVA程序直接引用。
扩展类加载器(Extension ClassLoader):该类加载器负责加载JDK安装目录下的\jre\lib\ext的类,或者由java.ext.dirs系统变量指定路径中的所有类库,开发者也可以直接使用扩展类加载器。
应用程序类加载器(AppClassLoader):负责加载用户类路径(Classpath)所指定的类,开发者可以直接使用该类加载器,如果应用程序中没有定义过自己的类加载器,该类加载器为默认的类加载器。
用户自定义类加载器(User ClassLoader):JVM自带的类加载器是从本地文件系统加载标准的java class文件,而自定义的类加载器可以做到在执行非置信代码之前,自动验证数字签名,动态地创建符合用户特定需要的定制化构建类,从特定的场所(数据库、网络中)取得java class。
注意如上的类加载器并不是通过继承的方式实现的,而是通过组合的方式实现的。而JAVA虚拟机的加载模式是一种委派模式,如上图中的1-7步所示。下层的加载器能够看到上层加载器中的类,反之则不行。类加载器可以加载类但是不能卸载类。说了一大堆,还是感觉需要拿点代码说事。
首先先定义自己的类加载器MyClassLoader,继承自ClassLoader,并覆盖了父类的findClass(String name)方法,如下:
利用定义的类加载器加载指定的字节码文件,如通过MyClassLoader加载C:\\Users\\Administrator\\下的Test.class字节码文件,代码如下所示:
(2)运行时数据区
字节码的加载第一步,其后分别是认证、准备、解析、初始化,那么这些步骤又具体做了哪些工作,如下图所示:
(3)如下将介绍运行时数据区,主要分为方法区、Java堆、虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器。其中方法区和Java堆一样,是各个线程共享的内存区域,而虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器是线程私有的内存区。
Java堆:Java堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块,被进程的所有线程共享,在虚拟机启动时被创建。该区域的唯一目的就是存放对象实例,几乎所有的对象实例都在这里分配内存,随着JIT编译器的发展与逃逸分支技术逐渐成熟,栈上分配、标量替换等优化技术使得对象在堆上的分配内存变得不是那么“绝对”。Java堆是垃圾收集器管理的主要区域。由于现在的收集器基本都采用分代收集算法,所以Java堆中还可以分为老年代和新生代(Eden、From Survivor、To Survivor)。根据Java虚拟机规范,Java堆可以处于物理上不连续的内存空间,只要逻辑上连续即可。该区域的大小可以通过-Xmx和-Xms参数来扩展,如果堆中没有内存完成实例分配,并且堆也无法扩展,将会抛出OutOfMemoryError异常。
方法区:用于存储被Java虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。不同于Java堆的是,Java虚拟机规范对方法区的限制非常宽松,可以选择不实现垃圾收集。但并非数据进入了方法区就“永久”存在了,这区域内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。如果该区域内存不足也会抛出OutOfMemoryError异常。
常量池:这个名词可能大家也经常见,是方法区的一部分。Class文件除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外,还有一项信息就是常量池,用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用。Java虚拟机运行期间,也可能将新的常量放入常量池(如String类的intern()方法)。
虚拟机栈:线程私有,生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型:每个方法在执行时都会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每个方法从调用直至执行完成的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。如果请求的站深度大于虚拟机所允许的深度,将抛出StackOverflowError异常,虚拟机栈在动态扩展时如果无法申请到足够的内存,就会抛出OutOfMemoryError异常。
过最简单的一段代码解释一下,程序在运行时数据区个部分的变化情况。
(4)通过编译器将Test.java文件编译为Test.class,利用javap -verbose Test.class对编译后的字节码进行分析,如下图所示:
(5)看看运行时数据区的变化:
java是什么东西?
Java说白了就是一门语言,像我们平时学校里学的英语,或者其他外语一样,是和其他人交流的工具,让别人知道你要表达什么,只不过Java语言是面向计算机的,人与机器交流,让计算机懂得我们所要表达的,从而让计算机运行出我们想要的结果。
简述Java程序从编写到运行的基本步骤,并说明Java的基本工作原理
Java编译原理:
Java 虚拟机(JVM)是可运行Java 代码的假想计算机。只要根据JVM规格描述将解释器移植到特定的计算机上,就能保证经过编译的任何Java代码能够在该系统上运行。
一.Java源文件的编译、下载 、解释和执行
Java应用程序的开发周期包括编译、下载 、解释和执行几个部分。Java编译程序将Java源程序翻译为JVM可执行代码?字节码。这一编译过程同C/C++ 的编译有些不同。当C编译器编译生成一个对象的代码时,该代码是为在某一特定硬件平台运行而产生的。因此,在编译过程中,编译程序通过查表将所有对符号的引用转换为特定的内存偏移量,以保证程序运行。Java编译器却不将对变量和方法的引用编译为数值引用,也不确定程序执行过程中的内存布局,而是将这些符号引用信息保留在字节码中,由解释器在运行过程中创立内存布局,然后再通过查表来确定一个方法所在的地址。这样就有效的保证了Java的可移植性和安全 性。
运行JVM字节码的工作是由解释器来完成的。解释执行过程分三部进行:代码的装入、代码的校验和代码的执行。装入代码的工作由"类装载器"(class loader)完成。类装载器负责装入运行一个程序需要的所有代码,这也包括程序代码中的类所继承的类和被其调用的类。当类装载器装入一个类时,该类被放在自己的名字空间中。除了通过符号引用自己名字空间以外的类,类之间没有其他办法可以影响其他类。在本台计算机上的所有类都在同一地址空间内,而所有从外部引进的类,都有一个自己独立的名字空间。这使得本地类通过共享相同的名字空间获得较高的运行效率,同时又保证它们与从外部引进的类不会相互影响。当装入了运行程序需要的所有类后,解释器便可确定整个可执行程序的内存布局。解释器为符号引用同特定的地址空间建立对应关系及查询表。通过在这一阶段确定代码的内存布局,Java很好地解决了由超类改变而使子类崩溃的问题,同时也防止了代码对地址的非法访问。
随后,被装入的代码由字节码校验器进行检查。校验器可发现操作数栈溢出,非法数据类型转化等多种错误。通过校验后,代码便开始执行了。
Java字节码的执行有两种方式:
1.即时编译方式:解释器先将字节码编译成机器码,然后再执行该机器码。
2.解释执行方式:解释器通过每次解释并执行一小段代码来完成Java字节码程 序的所有操作。
通常采用的是第二种方法。由于JVM规格描述具有足够的灵活性,这使得将字节码翻译为机器代码的工作
具有较高的效率。对于那些对运行速度要求较高的应用程序,解释器可将Java字节码即时编译为机器码,从而很好地保证了Java代码的可移植性和高性能。