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# JAVA程序运行原理分析

## **一、平台语言类型：**

* **编译型语言**

编译型语言是通过专门的编译器，将高级语言【一次性翻译成】可被平台（如OS操作系统）执行的机器码，编译一次，脱离开发环境可独立运行，故效率高；但对编译器严重依赖，而不同操作系统所使用的编译器是各不相同的，所以造成了编译型语言可移植性差的特点。如同打包发布好的vs程序，不管放在windows哪个磁盘下，均可脱离vs执行；但把这个编译好的exe放到unix下，便是不可能正常set up 的。这也就解释了它效率高，但跨平台可移植性差的特点。

* **解释型语言**

同样的，解释型语言也有专门的解释器，将原程序解释成特定的平台可执行文件，不同的是，解释型语言不会进行整体的编译，而是把编译和解释混合在一起执行。但解释性语言跨平台性好，只需通过不同的解释器，将其解释成某平台可识别的指令即可。这是编译的过程无法做到的。

* **区别**

| 类型  | 原理                             | 优点                                | 缺点                 |
| --- | ------------------------------ | --------------------------------- | ------------------ |
| 编译型 | 通过专门的编译器，将高级语言一次性翻译程可被平台执行的机器码 | 编译一次，脱离开发环境可独立运行，故效率高             | 对编译器严重依赖，可以执行性差    |
| 解释型 | 有专门的解释器，将程序解释称特定的平台指令          | 跨平台性好，只需通过不同的解释器，将其解释称某平台可识别的指令即可 | 编译和解释混合在一起执行，导致效率低 |

* **引出面试题**

1\)、**Java是属于哪种类型的？**

> **答：既是解释型语言，又是编译型语言**

2\)、**Java程序运行原理**

> 1、使用java进行编程，首先源程序会通过编译，将java编译成class字节码，【默认路径为该JRE运行环境路径下】
>
> 2、 再通过解释形成可执行文件
>
> ![](/files/-Ltdv9mqEZ4XfzdQbHFx)
>
> 开发人员编写Java代码(.java文件)，然后将之编译成字节码(.class文件)，再然后字节码被装入内存，一旦字节码进入虚拟机，它就会被解释器解释执行，或者是被即时代码发生器有选择的转换成机器码执行。

## 二、JAVA代码编译和执行的整个过程

## **Java代码编译和执行的整个过程包含了以下三个重要的机制:**

* **Java源码编译机制**

① 分析和输入到符号表

② 注解处理

③ 语义分析和生成class文件

![](/files/-Ltdv9ms3SV0YPvu3e4a)

最后生成的class文件由以下部分组成：

1. 结构信息。包括class文件格式版本号及各部分的数量与大小的信息
2. 元数据。对应于Java源码中声明与常量的信息。包含类/继承的超类/实现的接口的声明信息、域与方法声明信息和常量池
3. 方法信息。对应Java源码中语句和表达式对应的信息。包含字节码、异常处理器表、求值栈与局部变量区大小、求值栈的类型记录、调试符号信息
4. **类加载机制**

JVM的类加载是通过ClassLoader及其子类来完成的，类的层次关系和加载顺序可以由下图来描述：

![](/files/-Ltdv9mudQW0IIwGlXfX)

类加载器的作用是加载类文件到内存，比如编写一个HelloWord.java程序，然后通过javac编译程class文件，那么怎么才能加载到内存中被执行呢？ClassLoader承担的就是这个责任，那不可能随便建立一个.class文件就能被加载的，Class Loader加载的class文件是有格式要求的（具体要求详见《JVM Specification》，目前我还是看不懂），ClassLoader只管加载，只要符合文件结构就加载，至于说能不能运行，则不是它负责，那是由Execution Engine负责的。

类加载的步骤如下：

1）、**加载**

① Bootstrap ClassLoader

负责加载$JAVA\_HOME中jre/lib/rt.jar里所有的class到堆类存的永久存储区，由C++实现，不是ClassLoader子类

②Extension ClassLoader

负责加载java平台中扩展功能的一些jar包，包括$JAVA\_HOME中jre/lib/\*.jar或-Djava.ext.dirs指定目录下的jar包

③App ClassLoader

负责记载classpath中指定的jar包及目录中class

④Custom ClassLoader

属于应用程序根据自身需要自定义的ClassLoader，如tomcat、jboss都会根据j2ee规范自行实现ClassLoader

加载过程中会先检查类是否被已加载，检查顺序是自底向上，从Custom ClassLoader到BootStrap ClassLoader逐层检查，只要某个classloader已加载就视为已加载此类，保证此类只所有ClassLoader加载一次。而加载的顺序是自顶向下，也就是由上层来逐层尝试加载此类。

2）、**链接**

(1) 验证（Verify）：字节码验证器将验证生成的字节码是否正确，如果验证失败，将提示验证错误；

(2) 准备（Prepare）：对于所有静态变量，内存将会以默认值进行分配；

(3) 解释（Resolve）：有符号存储器引用都将替换为来自方法区（Method Area）的原始引用。

3）、**初始化**

这是类加载的最后阶段，所有的静态变量都将被赋予原始值，并且静态区块将被执行。

* **类执行机制**

JVM是基于堆栈的虚拟机。JVM为每个新创建的线程都分配一个堆栈.也就是说,对于一个Java程序来说，它的运行就是通过对堆栈的操作来完成的。堆栈以帧为单位保存线程的状态。JVM对堆栈只进行两种操作:以帧为单位的压栈和出栈操作。

JVM执行class字节码，线程创建后，都会产生程序计数器（PC）和栈（Stack），程序计数器存放下一条要执行的指令在方法内的偏移量，栈中存放一个个栈帧，每个栈帧对应着每个方法的每次调用，而栈帧又是有局部变量区和操作数栈两部分组成，局部变量区用于存放方法中的局部变量和参数，操作数栈中用于存放方法执行过程中产生的中间结果。栈的结构如下图所示：

![](/files/-Ltdv9mwYzh0gmWrtyvD)