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learn.lianglianglee.com/专栏/深入浅出 Java 虚拟机-完/01 一探究竟：为什么需要 JVM？它处在什么位置？.md.html
周伟 d9c5ffd627 u
2022-05-11 19:04:14 +08:00

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<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>01 一探究竟：为什么需要 JVM？它处在什么位置？</h1>
<pre><code>从本课时开始我们就正式进入 JVM 的学习，如果你是一名软件开发工程师，在日常工作中除了 Java 这个关键词外，还有一个名词也一定经常被提及，那就是 JVM。提到 JVM 我们经常会在面试中遇到这样的问题：
</code></pre>
<ul>
<li>为什么 Java 研发系统需要 JVM？</li>
<li>对你 JVM 的运行原理了解多少？</li>
<li>我们写的 Java 代码到底是如何运行起来的？</li>
</ul>
<p>想要在面试中完美地回答这三个问题，就需要首先了解 JVM 是什么？它和 Java 有什么关系？又与 JDK 有什么渊源？接下来，我就带你拨开这些问题的层层迷雾，想要弄清楚这些问题，我们首先需要从这三个维度去思考：</p>
<ul>
<li>JVM 和操作系统的关系？</li>
<li>JVM、JRE、JDK 的关系？</li>
<li>Java 虚拟机规范和 Java 语言规范的关系？</li>
</ul>
<p>弄清楚这几者的关系后，我们再以一个简单代码示例来看一下一个 Java 程序到底是如何执行的。</p>
<h3>JVM 和操作系统的关系</h3>
<p><img src="assets/CgpOIF4UXzOAEhBUAAGnAhohAII133.png" alt="img" /></p>
<p>在武侠小说中，想要炼制一把睥睨天下的宝剑，是需要下一番功夫的。除了要有上等的铸剑技术，还需要一鼎经百炼的剑炉，而工程师就相当于铸剑的剑师，JVM 便是剑炉。</p>
<p>JVM 全称 Java Virtual Machine，也就是我们耳熟能详的 Java 虚拟机。它能识别 .class后缀的文件，并且能够解析它的指令，最终调用操作系统上的函数，完成我们想要的操作。</p>
<p>一般情况下，使用 C++ 开发的程序，编译成二进制文件后，就可以直接执行了，操作系统能够识别它；但是 Java 程序不一样，使用 javac 编译成 .class 文件之后，还需要使用 Java 命令去主动执行它，操作系统并不认识这些 .class 文件。</p>
<p>你可能会想，我们为什么不能像 C++ 一样，直接在操作系统上运行编译后的二进制文件呢？而非要搞一个处于程序与操作系统中间层的虚拟机呢？</p>
<p>这就是 JVM 的过人之处了。大家都知道，Java 是一门抽象程度特别高的语言，提供了自动内存管理等一系列的特性。这些特性直接在操作系统上实现是不太可能的，所以就需要 JVM 进行一番转换。</p>
<p>有了上面的介绍，我们就可以做如下的类比。</p>
<ul>
<li>JVM：等同于操作系统；</li>
<li>Java 字节码：等同于汇编语言。</li>
</ul>
<p>Java 字节码一般都比较容易读懂，这从侧面上证明 Java 语言的抽象程度比较高。你可以把 JVM 认为是一个翻译器，会持续不断的翻译执行 Java 字节码，然后调用真正的操作系统函数，这些操作系统函数是与平台息息相关的。</p>
<p>如果你还是对上面的介绍有点模糊，可以参考下图：</p>
<p><img src="assets/Cgq2xl4UXzOAXlI_AAFpK7ghZGQ508.png" alt="img" /></p>
<p>从图中可以看到，有了 JVM 这个抽象层之后，Java 就可以实现跨平台了。JVM 只需要保证能够正确执行 .class 文件，就可以运行在诸如 Linux、Windows、MacOS 等平台上了。</p>
<p>而 Java 跨平台的意义在于一次编译，处处运行，能够做到这一点 JVM 功不可没。比如我们在 Maven 仓库下载同一版本的 jar 包就可以到处运行，不需要在每个平台上再编译一次。</p>
<p>现在的一些 JVM 的扩展语言，比如 Clojure、JRuby、Groovy 等，编译到最后都是 .class 文件，Java 语言的维护者，只需要控制好 JVM 这个解析器，就可以将这些扩展语言无缝的运行在 JVM 之上了。</p>
<p>我们用一句话概括 JVM 与操作系统之间的关系：JVM 上承开发语言，下接操作系统，它的中间接口就是字节码。</p>
<p>而 Java 程序和我们通常使用的 C++ 程序有什么不同呢？这里用两张图进行说明。</p>
<p><img src="assets/CgpOIF4VvV2AI0nOAAH7mA63_GA021.png" alt="img" /></p>
<p><img src="assets/CgpOIF4VvWaASjTZAAKdf712E44111.png" alt="img" /></p>
<p>对比这两张图可以看到 C++ 程序是编译成操作系统能够识别的 .exe 文件，而 Java 程序是编译成 JVM 能够识别的 .class 文件，然后由 JVM 负责调用系统函数执行程序。</p>
<h3>JVM、JRE、JDK的关系</h3>
<p><img src="assets/CgpOIF4UXzOAWjoYAAB_bUtfWsU572.png" alt="img" /></p>
<p>通过上面的学习我们了解到 JVM 是 Java 程序能够运行的核心。但是需要注意，JVM 自己什么也干不了，你需要给它提供生产原料（.class 文件）。俗语说的好，巧妇难为无米之炊。它虽然功能强大，但仍需要为它提供 .class 文件。</p>
<p>仅仅是 JVM，是无法完成一次编译，处处运行的。它需要一个基本的类库，比如怎么操作文件、怎么连接网络等。而 Java 体系很慷慨，会一次性将 JVM 运行所需的类库都传递给它。JVM 标准加上实现的一大堆基础类库，就组成了 Java 的运行时环境，也就是我们常说的 JRE（Java Runtime Environment）。</p>
<p>有了 JRE 之后，我们的 Java 程序便可以在浏览器中运行了。大家可以看一下自己安装的 Java 目录，如果是只需要执行一些 Java 程序，只需要一个 JRE 就足够了。</p>
<p>对于 JDK 来说，就更庞大了一些。除了 JRE，JDK 还提供了一些非常好用的小工具，比如 javac、java、jar 等。它是 Java 开发的核心，让外行也可以炼剑！</p>
<p>我们也可以看下 JDK 的全拼，Java Development Kit。我非常怕 kit（装备）这个单词，它就像一个无底洞，预示着你永无休止的对它进行研究。JVM、JRE、JDK 它们三者之间的关系，可以用一个包含关系表示。</p>
<ul>
<li>JDK&gt;JRE&gt;JVM</li>
</ul>
<p><img src="assets/Cgq2xl4UXzOAWEn7AACdFd2H7HA713.png" alt="img" /></p>
<h3>Java 虚拟机规范和 Java 语言规范的关系</h3>
<p>我们通常谈到 JVM，首先会想到它的垃圾回收器，其实它还有很多部分，比如对字节码进行解析的执行引擎等。广义上来讲，JVM 是一种规范，它是最为官方、最为准确的文档；狭义上来讲，由于我们使用 Hotspot 更多一些，我们一般在谈到这个概念时，会将它们等同起来。</p>
<p>如果再加上我们平常使用的 Java 语言的话，可以得出下面这样一张图。这是 Java 开发人员必须要搞懂的两个规范。</p>
<p><img src="assets/CgpOIF4UXzOAbzFUAAAhKnX7ea0980.png" alt="img" /></p>
<p>左半部分是 Java 虚拟机规范，其实就是为输入和执行字节码提供一个运行环境。右半部分是我们常说的 Java 语法规范，比如 switch、for、泛型、lambda 等相关的程序，最终都会编译成字节码。而连接左右两部分的桥梁依然是 Java 的字节码。</p>
<p>如果 .class 文件的规格是不变的，这两部分是可以独立进行优化的。但 Java 也会偶尔扩充一下 .class 文件的格式，增加一些字节码指令，以便支持更多的特性。</p>
<p>我们可以把 Java 虚拟机可以看作是一台抽象的计算机，它有自己的指令集以及各种运行时内存区域，学过《计算机组成结构》的同学会在课程的后面看到非常多的相似性。</p>
<p>你可能会有疑问，如果我不学习 JVM，会影响我写 Java 代码么？理论上，这两者没有什么必然的联系。它们之间通过 .class 文件进行交互，即使你不了解 JVM，也能够写大多数的 Java 代码。就像是你写 C++ 代码一样，并不需要特别深入的了解操作系统的底层是如何实现的。</p>
<p>但是，如果你想要写一些比较精巧、效率比较高的代码，就需要了解一些执行层面的知识了。了解 JVM，主要用在调优以及故障排查上面，你会对运行中的各种资源分配，有一个比较全面的掌控。</p>
<h3>我们写的 Java 代码到底是如何运行起来的</h3>
<p>最后，我们简单看一下一个 Java 程序的执行过程，它到底是如何运行起来的。</p>
<p>这里的 Java 程序是文本格式的。比如下面这段 HelloWorld.java，它遵循的就是 Java 语言规范。其中，我们调用了 System.out 等模块，也就是 JRE 里提供的类库。</p>
<pre><code class="language-java">public class HelloWorld {
public static void main(String[] args) {
System.out.println(&quot;Hello World&quot;);
}
}
</code></pre>
<p>使用 JDK 的工具 javac 进行编译后，会产生 HelloWorld 的字节码。</p>
<p>我们一直在说 Java 字节码是沟通 JVM 与 Java 程序的桥梁，下面使用 javap 来稍微看一下字节码到底长什么样子。</p>
<pre><code class="language-html">0 getstatic #2 &lt;java/lang/System.out&gt;
3 ldc #3 &lt;Hello World&gt;
5 invokevirtual #4 &lt;java/io/PrintStream.println&gt;
8 return
</code></pre>
<p>Java 虚拟机采用基于栈的架构，其指令由操作码和操作数组成。这些字节码指令，就叫作 opcode。其中，getstatic、ldc、invokevirtual、return 等，就是 opcode，可以看到是比较容易理解的。</p>
<p>我们继续使用 hexdump 看一下字节码的二进制内容。与以上字节码对应的二进制，就是下面这几个数字（可以搜索一下）。</p>
<pre><code class="language-java">b2 00 02 12 03 b6 00 04 b1
</code></pre>
<p>我们可以看一下它们的对应关系。</p>
<pre><code class="language-java">0xb2 getstatic 获取静态字段的值
0x12 ldc 常量池中的常量值入栈
0xb6 invokevirtual 运行时方法绑定调用方法
0xb1 return void 函数返回
</code></pre>
<p>opcode 有一个字节的长度(0~255)，意味着指令集的操作码个数不能操作 256 条。而紧跟在 opcode 后面的是被操作数。比如 b2 00 02，就代表了 getstatic #2 &lt;java/lang/System.out&gt;。</p>
<p>JVM 就是靠解析这些 opcode 和操作数来完成程序的执行的。当我们使用 Java 命令运行 .class 文件的时候，实际上就相当于启动了一个 JVM 进程。</p>
<p>然后 JVM 会翻译这些字节码，它有两种执行方式。常见的就是解释执行，将 opcode + 操作数翻译成机器代码；另外一种执行方式就是 JIT，也就是我们常说的即时编译，它会在一定条件下将字节码编译成机器码之后再执行。</p>
<p>这些 .class 文件会被加载、存放到 metaspace 中，等待被调用，这里会有一个类加载器的概念。</p>
<p>而 JVM 的程序运行，都是在栈上完成的，这和其他普通程序的执行是类似的，同样分为堆和栈。比如我们现在运行到了 main 方法，就会给它分配一个栈帧。当退出方法体时，会弹出相应的栈帧。你会发现，大多数字节码指令，就是不断的对栈帧进行操作。</p>
<p>而其他大块数据，是存放在堆上的。Java 在内存划分上会更为细致，关于这些概念，我们会在接下来的课时里进行详细介绍。</p>
<p>最后大家看下面的图，其中 JVM 部分，就是我们课程的要点。</p>
<p><img src="assets/Cgq2xl4UXzSATBgMAAG_3NHMI_Y236.png" alt="img" /></p>
<h3>选用的版本</h3>
<p>既然 JVM 只是一个虚拟机规范，那肯定有非常多的实现。其中，最流行的要数 Oracle 的 HotSpot。</p>
<p>目前，最新的版本是 Java13（注意最新的LTS版本是11）。学技术当然要学最新的，我们以后的课时就以 13 版本的 Java 为基准，来讲解发生在 JVM 上的那些事儿。</p>
<p>为了完成这个过程，你可以打开浏览器，输入下载网址（https://www.oracle.com/technetwork/java/ javase/downloads/jdk13-downloads-5672538.html）并安装软件。当然你也可以用稍低点的版本，但是有些知识点会有些许差异。相信对于聪明的你来说，这写都不算问题，因为整个 JVM，包括我们的调优，就是在不断试错中完成的。</p>
<h3>小结</h3>
<p>我们再回头看看上面的三个问题。</p>
<ul>
<li><strong>为什么 Java 研发系统需要 JVM？</strong></li>
</ul>
<p>JVM 解释的是类似于汇编语言的字节码，需要一个抽象的运行时环境。同时，这个虚拟环境也需要解决字节码加载、自动垃圾回收、并发等一系列问题。JVM 其实是一个规范，定义了 .class 文件的结构、加载机制、数据存储、运行时栈等诸多内容，最常用的 JVM 实现就是 Hotspot。</p>
<ul>
<li><strong>对你 JVM 的运行原理了解多少？</strong></li>
</ul>
<p>JVM 的生命周期是和 Java 程序的运行一样的，当程序运行结束，JVM 实例也跟着消失了。JVM 处于整个体系中的核心位置，关于其具体运行原理，我们在下面的课时中详细介绍。</p>
<ul>
<li><strong>我们写的 Java 代码到底是如何运行起来的？</strong></li>
</ul>
<p>一个 Java 程序，首先经过 javac 编译成 .class 文件，然后 JVM 将其加载到<code>元数据</code>区，执行引擎将会通过<code>混合模式</code>执行这些字节码。执行时，会翻译成操作系统相关的函数。JVM 作为 .class 文件的黑盒存在，输入字节码，调用操作系统函数。</p>
<p>过程如下：Java 文件-&gt;编译器&gt;字节码-&gt;JVM-&gt;机器码。</p>
<h3>总结</h3>
<p>到这里本课时的内容就全部讲完了，今天我们分别从三个角度，了解了 JVM 在 Java 研发体系中的位置，并以一个简单的程序，看了下一个 Java 程序基本的执行过程。</p>
<p>我们所说的 JVM，狭义上指的就 HotSpot。如非特殊说明，我们都以 HotSpot 为准。我们了解到，Java 之所以成为跨平台，就是由于 JVM 的存在。Java 的字节码，是沟通 Java 语言与 JVM 的桥梁，同时也是沟通 JVM 与操作系统的桥梁。</p>
<p>JVM 是一个非常小的集合，我们常说的 Java 运行时环境，就包含 JVM 和一部分基础类库。如果加上我们常用的一些开发工具，就构成了整个 JDK。我们讲解 JVM 就聚焦在字节码的执行上面。</p>
<p>Java 虚拟机采用基于栈的架构，有比较丰富的 opcode。这些字节码可以解释执行，也可以编译成机器码，运行在底层硬件上，可以说 JVM 是一种混合执行的策略。</p>
</div>
</div>
<div>
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</div>
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