你寫的 Java 代碼是如何一步步輸出結果的？

目錄

一、編寫Java源程序

二、編譯Java源代碼

三、執行Java源文件

四、JVM如何執行字節碼文件

對于任何一門語言，要想達到精通的水平，研究它的執行原理(或者叫底層機制)不失為一種良好的方式。

在本篇文章中，將重點研究java源代碼的執行原理，即從程序員編寫JAVA源代碼，到最終形成產品，在整個過程中，都經歷了什么？每一步又是怎么執行的？執行原理又是什么？

一 編寫java源程序

java源文件:指存儲java源碼的文件。

先來看看如下代碼：

//MyTest被public修飾，故存儲該java源碼的文件名為MyTest
public?class?MyTest?{
?public?static?void?main(String[]?args){
?System.out.println("Test?Java?execute?process.");
?}
}
//由于MyTest被public修飾了，故Class?A不能用public修飾
class?A{}
//由于MyTest被public修飾了，故Class?B不能用public修飾
class?B{}

（1）java源文件名就是該源文件中public類的名稱

（2）一個java源文件可以包含多個類，但只允許一個類為public

二 編譯java源代碼

當java源程序編碼結束后，就需要編譯器編譯。

安裝好jdk后，我們打開jdk目錄，有兩個.exe文件，即javac.exe(編譯源代碼，xxx.java文件) 和 java.exe(執行字節碼，xxx.class文件).

如下圖所示：

1、切換到MyTest.java文件夾

2、javac.exe編譯MyTest.java

編譯后，發現e:\Blogs 目錄多了以class為后綴的文件：A.class,B.class和MyTest.class

Tip:當javac.exe編譯java源代碼時，java源代碼有幾個類，就會編譯成一個對應的字節碼文件(.class文件)

其中，字節碼文件的文件名就是每個類的類名。需要注意的是，類即使不在源文件中定義，但被源文件引用，編譯后，也會編程相應的字節碼文件。

如類A引用類C，但類C不定義在類A的源文件中，編譯后，類C也被編譯成對應的字節碼文件C.class

三 執行java源文件

執行java源文件，用java.exe執行即可

到現在，java源程序基本執行結果，并正確打印我們期望的結果，那么，如上的步驟，我們可以總結如下：

如上總結，已經抽象化了在JVM中的執行。接下來，我們將分析字節碼文件（.class文件）如何在虛擬機中一步一執行的。

四 JVM如何執行字節碼文件

（一）裝載字節碼文件

當 .java 源碼被 javac.exe 編譯器編譯成 .class 字節碼文件后，接下來的工作就交給JVM處理。

JVM首先通過類加載器(ClassLoader)，將class文件和相關Java API加載裝入JVM，以供JVM后續處理。

在該階段中，涉及到如下一些基本概念和知識。

1.JDK,JRE和JVM關系

• JDK（Java Development Kit），Java開發工具包，主要用于開發，在JDK7前，JDK包括JRE

• JRE（Java Runtime Environment），Java程序運行的核心環境，包括JVM和一些核心庫

• JVM（Java Virtual Machine），VM是一種用于計算設備的規范，它是一個虛構出來的計算機，是通過在實際的計算機上仿真模擬各種計算機功能來實現的，是JRE核心模塊。

2.JVM

JVM是一種用于計算設備的規范，它是一個虛構出來的計算機，是通過在實際的計算機上仿真模擬各種計算機功能來實現的。

Java虛擬機的主要任務是裝載class文件，并執行其中的字節碼，不同的Java虛擬機中，執行引擎可能有不同的實現。

大致有如下幾種引擎：

• 一次性解釋字節碼引擎

• 即時編譯引擎

• 自適應優化器

關于虛擬機的實現方式，采用軟件方式、硬件方式和軟件硬件結合方式，這個要根據具體廠商而定。

3.什么是ClassLoader

虛擬機的主要任務是裝載class文件并執行其中的字節碼，而class文件是由虛擬機的類加載器(ClassLoader)完成的，在一個Java虛擬機中有可能存在多個類加載器。

任何java運用程序，可能會使用兩種類加載器，即啟動類加載器(bootstrap)和用戶自定義類加載器。

啟動類加載器是Java虛擬機唯一實現的一部分，它又可分為原始類裝載器，系統類裝載器或默認類裝載器。它的主要作用是從操作系統的磁盤裝載相應的類，如Java API類等。

用戶自定義裝載類，即按照用戶自定義的方式來裝載類。

（二）將字節碼文件存儲在JVM內存區

當JAVA虛擬機運行一個程序時，它需要內存來存儲許多東西。

比如如字節碼，程序創建的對象，傳遞給方法的參數，返回值，局部變量以及運算的中間結果等，這些相關信息被組織到“運行時數據區”。

根據廠商的不同，在Java虛擬機中，運行時數據區也有所不同。有些運行時數據區由線程共享，有些只能由某個特定線程共享。

運行時數據區大致可分幾個區：方法區，堆區，棧區，PC寄存器區和本地方法棧區。

在該階段中，涉及到如下基本概念和知識。

1、方法區

方法區用來存儲解析被加載的class文件的相關信息。

當虛擬裝載一個class文件后，它會從這個class文件包含的二進制數據中解析類型信息，然后將該相關信息存儲到方法區中。

2.堆

堆是用來存儲相關引用類型的，如new對象。當程序運行時，虛擬機會把所有該程序在運行時創建的對象都放到堆中。

3.PC寄存器

PC寄存器主要用來存儲線程。當新創建一個線程時，該線程都將得到一個自己的PC寄存器(程序計數器)以及一個java棧。

Java虛擬機沒有寄存器，其指令集使用Java棧來存儲中間數據。

4.棧區

棧區主要用來存儲值類型的，如基本數據類型。需要注意的是，String為引用類型，是存在堆中的。

Java棧是由許多棧幀組成的，一個棧幀包含一個Java方法調用的狀態，當線程調用一個方法時，虛擬機壓入一個新的棧幀到該線程的Java棧中，當該方法返回時，這個棧幀從Java棧中彈出。

（三）執行引擎與運行時數據區交互

運行時數據區為執行引擎提供了執行環境和相關數據，執行引擎通過與運行時數據區交互，從而獲取執行時需要的相關信息，存儲執行的中間結果等

（四）執行引擎與本地方法接口

當要執行本地方法時，執行引擎將調用本地方法接口來獲取相關OS本地方法。

需要注意的是，本地方法與操作系統強耦合的。

（五）JVM在具體操作系統上執行

JVM通過調用本地接口來獲取本地方法，從而實現在具體的平臺上執行。比如在Linux系統上執行，在Window系統上執行和在Unix系統上執行。