你写的 Java 代码是如何一步步输出结果的?

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作者 | Alan

来源 | cnblogs.com/wangjiming/p/10455993.html

对于任何一门语言,要想达到精通的水平,研究它的执行原理(或者叫底层机制)不失为一种良好的方式。

在本篇文章中,将重点研究java代码的执行原理,即从程序员编写JAVA源代码,到最终形成产品,在整个过程中,都经历了什么?
每一步又是怎么执行的?
执行原理又是什么?

你写的 Java 代码是如何一步步输出结果的?

一、编写java源程序

java源文件:指存储java源码的文件。

先来看看如下代码:

//MyTest被public修饰,故存储该java源码的文件名为MyTest
public class MyTest {
public static void main(String[] args){
System.out.println("Test Java execute process.");
}
}
//由于MyTest被public修饰了,故Class A不能用public修饰
class A{}

//由于MyTest被public修饰了,故Class B不能用public修饰
class B{}

1、java源文件名就是该源文件中public类的名称

你写的 Java 代码是如何一步步输出结果的?

2、一个java源文件可以包含多个类,但只允许一个类为public

二、编译java源代码

当java源程序编码结束后,就需要编译器编译。

安装好jdk后,我们打开jdk目录,有两个.exe文件,即javac.exe(编译源代码,xxx.java文件) 和 java.exe(执行字节码,xxx.class文件).

如下图所示:

你写的 Java 代码是如何一步步输出结果的?

1、切换到MyTest.java文件夹

你写的 Java 代码是如何一步步输出结果的?

2、javac.exe编译MyTest.java

你写的 Java 代码是如何一步步输出结果的?

编译后,发现e:/Blogs 目录多了以class为后缀的文件:
A.class,B.class和MyTest.class

你写的 Java 代码是如何一步步输出结果的?

Tip:当javac.exe编译java源代码时,java源代码有几个类,就会编译成一个对应的字节码文件(.class文件)

其中,字节码文件的文件名就是每个类的类名。
需要注意的是,类即使不在源文件中定义,但被源文件引用,编译后,也会编程相应的字节码文件。

如类A引用类C,但类C不定义在类A的源文件中,编译后,类C也被编译成对应的字节码文件C.class

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三、执行java源文件

执行java源文件,用java.exe执行即可

你写的 Java 代码是如何一步步输出结果的?

到现在,java源程序基本执行结果,并正确打印我们期望的结果,那么,如上的步骤,我们可以总结如下:

你写的 Java 代码是如何一步步输出结果的?

如上总结,已经抽象化了在JVM中的执行。
接下来,我们将分析字节码文件(.class文件)如何在虚拟机中一步一执行的。

四、JVM如何执行字节码文件

1、装载字节码文件

当 .java 源码被 javac.exe 编译器编译成 .class 字节码文件后,接下来的工作就交给JVM处理。

JVM首先通过类加载器(ClassLoader),将class文件和相关Java API加载装入JVM,以供JVM后续处理。

在该阶段中,涉及到如下一些基本概念和知识。

1)JDK,JRE和JVM关系

  • JDK(Java Development Kit),Java开发工具包,主要用于开发,在JDK7前,JDK包括JRE

  • JRE(Java Runtime Environment),Java程序运行的核心环境,包括JVM和一些核心库

  • JVM(Java Virtual Machine),VM是一种用于计算设备的规范,它是一个虚构出来的计算机,是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的,是JRE核心模块。

2)JVM

JVM是一种用于计算设备的规范,它是一个虚构出来的计算机,是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。

Java虚拟机的主要任务是装载class文件,并执行其中的字节码,不同的Java虚拟机中,执行引擎可能有不同的实现。

大致有如下几种引擎:

  • 一次性解释字节码引擎

  • 即时编译引擎

  • 自适应优化器

关于虚拟机的实现方式,采用软件方式、硬件方式和软件硬件结合方式,这个要根据具体厂商而定。

3)什么是ClassLoader

虚拟机的主要任务是装载class文件并执行其中的字节码,而class文件是由虚拟机的类加载器(ClassLoader)完成的,在一个Java虚拟机中有可能存在多个类加载器。

任何java运用程序,可能会使用两种类加载器,即启动类加载器(bootstrap)和用户自定义类加载器。
     

启动类加载器是Java虚拟机唯一实现的一部分,它又可分为原始类装载器,系统类装载器或默认类装载器。
它的主要作用是从操作系统的磁盘装载相应的类,如Java API类等。

用户自定义装载类,即按照用户自定义的方式来装载类。

你写的 Java 代码是如何一步步输出结果的?

2、将字节码文件存储在JVM内存区

当JAVA虚拟机运行一个程序时,它需要内存来存储许多东西。

比如如字节码,程序创建的对象,传递给方法的参数,返回值,局部变量以及运算的中间结果等,这些相关信息被组织到“运行时数据区”。

根据厂商的不同,在Java虚拟机中,运行时数据区也有所不同。
有些运行时数据区由线程共享,有些只能由某个特定线程共享。

运行时数据区大致可分几个区:
方法区,堆区,栈区,PC寄存器区和本地方法栈区。

在该阶段中,涉及到如下基本概念和知识。

1)方法区

方法区用来存储解析被加载的class文件的相关信息。

当虚拟装载一个class文件后,它会从这个class文件包含的二进制数据中解析类型信息,然后将该相关信息存储到方法区中。

2)堆

堆是用来存储相关引用类型的,如new对象。
当程序运行时,虚拟机会把所有该程序在运行时创建的对象都放到堆中。

3)PC寄存器

PC寄存器主要用来存储线程。
当新创建一个线程时,该线程都将得到一个自己的PC寄存器(程序计数器)以及一个java栈。

Java虚拟机没有寄存器,其指令集使用Java栈来存储中间数据。

4)栈区

栈区主要用来存储值类型的,如基本数据类型。
需要注意的是,String为引用类型,是存在堆中的。

Java栈是由许多栈帧组成的,一个栈帧包含一个Java方法调用的状态,当线程调用一个方法时,虚拟机压入一个新的栈帧到该线程的Java栈中,当该方法返回时,这个栈帧从Java栈中弹出。

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3、执行引擎与运行时数据区交互

运行时数据区为执行引擎提供了执行环境和相关数据,执行引擎通过与运行时数据区交互,从而获取执行时需要的相关信息,存储执行的中间结果等


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4、执行引擎与本地方法接口

当要执行本地方法时,执行引擎将调用本地方法接口来获取相关OS本地方法。

需要注意的是,本地方法与操作系统强耦合的。

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5、JVM在具体操作系统上执行

JVM通过调用本地接口来获取本地方法,从而实现在具体的平台上执行。
比如在Linux系统上执行,在Window系统上执行和在Unix系统上执行。

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五、参考文献

1、深入Java虚拟机(原书第2版)(美)Bill Venners 著  

2、Core Java Volume I – Fundamententals(10th Edition) 

3、Core Java Volume I – Advanced Features(10th Edition) 

-END-



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