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Java是怎么运行起来的？深入理解Java虚拟机

2024-11-30 08:14

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但是，了解JVM是如何支持Java语言和其他相关语言的，对于程序员来说是很有裨益的！

本文分享一下Java的工作原理和JVM的内部结构。

1. Java虚拟机

Java虚拟机（JVM）是一个抽象的机器，用来执行一种代码，即bytecode。你可以把它看作是我们的代码和计算机硬件之间的桥梁，它把我们的代码作为输入，转换成字节码并在计算机硬件上运行它，从而实现开发者预期的结果。

2. 字节码（bytecode）

字节码是一种JVM能够理解的文件类型。它是通过compilingJava代码（使用javac）生成的一种Java程序的中间表示形式。它之所以叫字节码，是因为每个操作码（operation）都是单字节大小的。字节码可以再次编译成机器码并在计算机上运行。

3. 编译

运行Java程序的第一步是编译。如果你有一个单独的Java文件，你可以使用提供的命令行工具javac来触发编译。

javac HelloWorld.java

上面代码会把一个给定的Java文件编译成.class文件，其中包含bytecode。如果源代码有错误，编译会失败并报出编译错误。

你可以使用提供的工具javap来查看已创建的类文件，以了解类文件的内部情况。

javap HelloWorld.class

4. 执行

在通过编译创建了.class文件之后，可以使用java语法来启动一个JVM的实例，它会触发一个包含多个复杂步骤的执行路径，最终执行我们提供的代码。

java HelloWorld

首先JVM需要获取.class文件，并将它加载到JVM的内存区域中。这个初始过程是通过JVM类加载器来实现的。

5. 什么是类加载？

抽象地说，类加载就是扫描并遍历提供的.class文件，并将类文件中的内容加载到JVM的内存区域中。然后，执行引擎就可以引用这些存储的数据，继续执行我们的代码。

JVM中有三种类型的类加载器，分别是：

引导类加载器
扩展类加载器
应用类加载器

引导类加载器的职责是加载基础/核心的Java类，这些类对于Java程序运行是必不可少的。在早期的Java版本中，这些核心类被包含在位于jre/lib目录下的rt.jar文件中，但在后来的Java版本中，rt.jar中的内容被分割成模块化的组件。

扩展类加载器的职责是加载lib/ext目录下的类，这些类可能包括我们在代码中使用的任何扩展。

应用类加载器是三种中最常用的一种，它负责加载用户定义的类。它会扫描我们程序的类路径，并加载其中的类。

6. 类加载过程

类加载过程有两个主要步骤：

加载
链接

7. 加载

在加载过程中，类加载器读取类文件的二进制表示形式，即.class文件，并在JVM的运行时内存中创建它的表示。这个表示称为Class Object，它位于JVM内存的方法区中。

8. 链接

在加载过程之后，开始链接。链接有三个步骤。

验证 — 确保类文件的正确性。验证类是否符合Java规范。
准备 — 为静态块/字段分配内存，并为静态变量赋予默认值（不是初始值！）。
解析 — 解析类文件中的（符号）引用。

解析：

在链接的解析阶段，类加载器会解析常量池表，这是一个位于.class文件/类对象中的实体，类似于一个符号表，指定了类中的字段/方法/引用。在类文件中，对其他类的引用是以符号方式表示的，没有具体的内存地址来引用。解析会搜索JVM内存，并为那些符号引用分配具体的引用。如果在.class文件中发现了一个尚未加载的类，它会触发该类本身的加载/链接过程，这可能会导致一个递归的加载和链接过程。

在字节码加载和链接之后，类就成功地存储在JVM内存中（将在后面的部分讨论），并准备好初始化。