JVM是怎樣運行Java代碼的

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為什么需要 JVM？

Java 的一個非常重要的特點就是與平臺的無關性，而使用 JVM 是實現這一特點的關鍵。Java 作為一門高級程序語言，語法復雜，抽象程度高。因此，直接在硬件上運行這種復雜的程序并不現實。所以在運行 Java 程序之前，我們需要對其進行轉換。

設計一個面向 Java 語言特性的虛擬機，并通過編譯器將 Java 程序轉換成該虛擬機所能識別的指令序列（因為 Java 字節碼指令的操作碼（opcode）被固定為一個字節，故又稱 Java 字節碼）。

JVM 一般是在各個現有平臺（如 Windows、Linux）上提供軟件實現，這樣可以使一旦一個程序被轉換成 Java 字節碼，那么便可以在不同平臺上的虛擬機實現里運行（一次編寫，到處運行）。

JVM 另外一個好處是帶有托管環境（Managed Runtime），托管環境能夠代替處理一些代碼中冗長而且容易出錯的部分，其中包括自動內存管理與垃圾回收（GC）。

另外，托管環境還提供了諸如數組越界、動態類型、安全權限等等的動態檢測，使我們免于書寫這些無關業務邏輯的代碼。

JVM 是怎樣運行 Java 代碼的呢？

JVM 具體是怎么運行 Java 字節碼的呢？下面我們一起來看一下：

從 JVM 來看，執行 Java 代碼首先需要將它編譯而成的 class 文件加載到 JVM 中。加載后的 Java 類會被存放于方法區（Method Area）中。實際運行時，JVM 會執行方法區內的代碼。

JVM 會在內存中劃分出堆和棧來存儲運行時數據，JVM 會將棧細分為面向 Java 方法的 Java 方法棧，面向本地方法（用 C++ 寫的 native 方法）的本地方法棧，以及存放各個線程執行位置的 PC 寄存器。

在運行過程中，每當調用進入一個 Java 方法，JVM 會在當前線程的 Java 方法棧中生成一個棧幀，用以存放局部變量以及字節碼的操作數。棧幀的大小是提前計算好的，而且 JVM 不要求棧幀在內存空間里連續分布。

當退出當前執行的方法時，不管是正常返回還是異常返回，JVM 均會彈出當前線程的當前棧幀，并將之舍棄。

從硬件視角來看，Java 字節碼無法直接執行。因此，JVM 需要將字節碼翻譯成機器碼。

在 HotSpot 里面，上述翻譯過程有兩種形式：第一種是解釋執行（interpreter），即逐條將字節碼翻譯成機器碼并執行；第二種是即時編譯（Just-In-Time compilation，JIT），即將一個方法中包含的所有字節碼編譯成機器碼后再執行。

前者的優勢在于無需等待編譯，而后者的優勢在于實際運行速度更快。HotSpot 默認采用混合模式，綜合了解釋執行和即時編譯兩者的優點。它會先解釋執行字節碼，而后將其中反復執行的熱點代碼，以方法為單位進行即時編譯。

整個 Java 代碼執行過程如下：

1. 使用 javac 把 .java 源文件編譯為字節碼（文件后綴名為 .class）

2. 字節碼經過 JIT 環境變量進行判斷，是否屬于熱點代碼（多次調用的方法或循環體）

3. 熱點代碼使用 JIT 編譯為可執行的機器碼

4. 非熱點代碼使用解釋器解釋執行所有字節碼

其中，在運行過程中會被即時編譯的熱點代碼有兩類：

1. 被多次調用的方法

2. 被多次執行的循環體

針對第一類，編譯器會將整個方法作為編譯對象，這也是標準的 JIT 編譯方式。對于第二類是由循環體出發的，但是編譯器依然會以整個方法作為編譯對象，因為發生在方法執行過程中，稱為棧上替換。

HotSpot 采用了多種技術來提升啟動性能以及峰值性能，剛剛提到的即時編譯便是其中最重要的技術之一。

即時編譯建立在程序符合二八定律的假設上，也就是百分之二十的代碼占據了百分之八十的計算資源。

對于占據大部分的不常用的代碼，我們無需耗費時間將其編譯成機器碼，而是采取解釋執行的方式運行；另一方面，對于僅占據小部分的熱點代碼，我們則可以將其編譯成機器碼，以達到理想的運行速度。

為了滿足不同用戶場景的需要，HotSpot 內置了多個即時編譯器：C1、C2。之所以引入多個即時編譯器，是為了在編譯時間和生成代碼的執行效率之間進行取舍。

• C1 （Client 編譯器）面向的是對啟動性能有要求的客戶端 GUI 程序，采用的優化手段相對簡單，因此編譯時間較短。

• C2 （Server 編譯器）面向的是對峰值性能有要求的服務器端程序，采用的優化手段相對復雜，因此編譯時間較長，但同時生成代碼的執行效率較高。

從 Java 7 開始，HotSpot 默認采用分層編譯的方式：熱點方法首先會被 C1 編譯，而后熱點方法中的熱點會進一步被 C2 編譯。

為了不干擾應用的正常運行，HotSpot 的即時編譯是放在額外的編譯線程中進行的。HotSpot 會根據 CPU 的數量設置編譯線程的數目，并且按 1:2 的比例配置給 C1 及 C2 編譯器。

在計算資源充足的情況下，字節碼的解釋執行和即時編譯可同時進行。編譯完成后的機器碼會在下次調用該方法時啟用，以替換原本的解釋執行。

其中判斷一段代碼是否為熱點代碼，是不是需要觸發即時編譯，這樣的行為稱為熱點探測（Hot Spot Detection），探測算法有兩種：

1. 基于采樣的熱點探測（Sample Based Hot Spot Detection）：虛擬機會周期的對各個線程棧頂進行檢查，如果某些方法經常出現在棧頂，這個方法就是熱點方法。優點是實現簡單、高效，很容易獲取方法調用關系。缺點是很難確認方法的 reduce，容易受到線程阻塞或其他外因擾亂。

2. 基于計數器的熱點探測（Counter Based Hot Spot Detection）：為每個方法（甚至是代碼塊）建立計數器，執行次數超過閾值就認為是熱點方法。優點是統計結果精確嚴謹。缺點是實現麻煩，不能直接獲取方法的調用關系。

HotSpot 使用的是第二種-基于計數器的熱點探測，并且有兩類計數器：方法調用計數器（Invocation Counter）和回邊計數器（Back Edge Counter）。

到此，關于“JVM是怎樣運行Java代碼的”的學習就結束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實踐的搭配能更好的幫助大家學習，快去試試吧！若想繼續學習更多相關知識，請繼續關注億速云網站，小編會繼續努力為大家帶來更多實用的文章！