本文主要對Java程序的執(zhí)行模式和JVM的架構原理進行較易理解的介紹和剖析，以便能更好的掌握Java的核心機制和基本原理，拋磚引玉，以便引起Java愛好這的興趣。如果覺得有用，請點個贊，順手分享本文。Thanks a lot.
所謂Java程序，即用Java語言編寫的程序，它包含數據、代碼以及相關算法。而一個有效的java程序，滿足兩個環(huán)境的要求，即編譯環(huán)境和運行環(huán)境。如下圖所示：
圖-1：Java程序運行環(huán)
根據上圖所示：
其一，在編譯環(huán)境中，我們基于Java語言和JDK（Java開發(fā)工具包），進行源程序的代碼編寫，并在確保正確的情況下，通過工具包提供編譯器，把所有源代碼（即.java）編譯成（通過javac命令實現）字節(jié)碼文件(即.class文件)。
其二，在運行時環(huán)境執(zhí)行程序，或說運行程序。這時，需要先擁有待運行程序的字節(jié)碼文件。這些字節(jié)碼文件有可能通過網絡或者在本地兩種方式傳遞到運行時環(huán)境。
運行時環(huán)境中主要的工作就是啟動Java虛擬機，并通過虛擬機來完成一系列工作，實現java程序的運行。需要注意的是，在java虛擬執(zhí)行程序時，它會根據需要來加載Java提供的相關API的class文件。
二、Java的JVM運行結構
基于上面的java程序運行的框架圖，我們進一步來透視java的核心基石，即java虛擬機JVM的內部運行組成。
根據Java的虛擬機規(guī)范，JVM內部抽象體系結構主要有這樣幾大部分組成，即類裝載器子系統(tǒng)、執(zhí)行引擎以及運行時數據管理區(qū)，同時要求支持本地方法的調用機制。那么這樣一來，我們進一步細化Java程序的JVM內部執(zhí)行機制，就形成如下的Java運行模式架構：
圖-2：JVM運行流程結構圖
三、JVM的架構原理和運行機制
經過上一部分的內容的抽象和總結，那么我們可以進一步抽象出基于java虛擬機規(guī)范實現的一般的JVM實現組成架構以及其運行機制和原理。JVM詳細的參考架構圖如下：
圖-3：虛擬機JVM參考實現圖
針對上圖JVM參考架構，作簡要說明如下：
虛擬機JVM主要有三個子系統(tǒng)構成:
1-類裝入器子系統(tǒng)
2-運行時數據區(qū)
3-執(zhí)行引擎
1.類裝入器子系統(tǒng)
Java的動態(tài)類加載功能是由類裝入器子系統(tǒng)。 由他進行類的裝載、鏈接、并初始化類文件時,是指一個類第一次運行時,而不是編譯時間。
1.1類加載
1)Bootstrap類加載器
負責加載$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar里所有的class，由C++實現，不是ClassLoader子類
2)Extension類加載器
負責加載java平臺中擴展功能的一些jar包，包括$JAVA_HOME中jre/lib/*.jar或-Djava.ext.dirs指定目錄下的jar包
3)Application類加載器
負責記載classpath中指定的jar包及目錄中class
4)Custom類加載器
屬于應用程序根據自身需要自定義的ClassLoader，如tomcat、jboss都會根據j2ee規(guī)范自行實現ClassLoader。加載過程中會先檢查類是否被已加載，檢查順序是自底向上，從Custom ClassLoader到BootStrap ClassLoader逐層檢查，只要某個classloader已加載就視為已加載此類，保證此類只所有ClassLoader加載一次。而加載的順序是自頂向下，也就是由上層來逐層嘗試加載此類。
1.2連接
驗證——字節(jié)碼校驗器會檢查生成的字節(jié)碼是否正確，如果驗證失敗則會驗證錯誤。
準備——對于所有靜態(tài)變量的內存分配和默認值分配。
識別——解析或識別是從運行時常量池的符號引用中動態(tài)具體值的過程。
1.3初始化
這是類裝入的最后階段, 類或接口的初始化由執(zhí)行類或接口初始化方法構成。這里所有的靜態(tài)變量與原來的值將被指派,靜態(tài)塊將被執(zhí)行。
2.運行時數據區(qū)
運行時數據區(qū)域分為5個主要組件:
方法區(qū)——所有的類級別的數據將存儲在這里,包括靜態(tài)變量。 每個JVM區(qū)域只有一個方法,它是一個共享資源。一般會包含一個運行時常量池(運行時常量池：一個存儲了類文件格式中的常量池表的內存空間。這部分空間雖然存在于方法區(qū)內，但卻在JVM操作中扮演著舉足輕重的角色，因此JVM規(guī)范單獨把這一部分拿出來描述。除了每個類或接口中定義的常量，它還包含了所有對方法和字段的引用。因此當需要一個方法或字段時，JVM通過運行時常量池中的信息從內存空間中來查找其相應的實際地址)。
堆區(qū)域——所有的對象和相應的實例變量和數組將存儲在這里。 還有一堆區(qū)域每個JVM。 自方法和堆區(qū)域多個線程共享內存,存儲的數據不是線程安全的。
棧區(qū)域——每一個線程創(chuàng)建一個單獨的運行時堆棧。 對于每一個方法調用,一個稱為棧內存棧幀被創(chuàng)建。 所有局部變量將被創(chuàng)建在棧內存中。 棧區(qū)域是線程安全的,因為它不是一個共享資源。 棧幀分三個實體:
其一，局部變量數組——有多少相關的方法局部變量以及相應的值將被存儲在這里。
其二，操作數棧——如果任何中間操作要求執(zhí)行,操作數棧作為運行時工作區(qū)執(zhí)行操作。
其三，幀數據——所有的符號對應的方法存儲在這里。 在任何的情況下異常catch塊信息將保存在幀數據。
程序計數器——每個線程必須分開程序計數器登記，當前執(zhí)行的指令一旦執(zhí)行，程序計數器（程序計數登記器）更新下一個指令。
本地方法棧——本地方法棧保存本機方法的信息。 為每一個線程將創(chuàng)建一個單獨的本地方法棧，以備不時之用。
3．執(zhí)行引擎
通過類裝載器裝載的，被分配到JVM的運行時數據區(qū)的字節(jié)碼會被執(zhí)行引擎執(zhí)行。執(zhí)行引擎以指令為單位讀取Java字節(jié)碼。它就像一個CPU一樣，一條一條地執(zhí)行機器指令。每個字節(jié)碼指令都由一個1字節(jié)的操作碼和附加的操作數組成。執(zhí)行引擎取得一個操作碼，然后根據操作數來執(zhí)行任務，完成后就繼續(xù)執(zhí)行下一條操作碼。如下圖所示：
不過Java字節(jié)碼是用一種人類可以讀懂的語言編寫的，而不是用機器可以直接執(zhí)行的語言。因此，執(zhí)行引擎必須把字節(jié)碼轉換成可以直接被JVM執(zhí)行的語言。字節(jié)碼可以通過以下兩種方式轉換成合適的語言。執(zhí)行引擎主要包括3部分內容：
(1)解釋器：一條一條地讀取，解釋并且執(zhí)行字節(jié)碼指令。因為它一條一條地解釋和執(zhí)行指令，所以它可以很快地解釋字節(jié)碼，但是執(zhí)行起來會比較慢。這是解釋執(zhí)行的語言的一個缺點。字節(jié)碼這種“語言”基本來說是解釋執(zhí)行的。
(2)即時（Just-In-Time)編譯器：即時編譯器被引入用來彌補解釋器的缺點。執(zhí)行引擎首先按照解釋執(zhí)行的方式來執(zhí)行，然后在合適的時候，即時編譯器把整段字節(jié)碼編譯成本地代碼。然后，執(zhí)行引擎就沒有必要再去解釋執(zhí)行方法了，它可以直接通過本地代碼去執(zhí)行它。執(zhí)行本地代碼比一條一條進行解釋執(zhí)行的速度快很多。編譯后的代碼可以執(zhí)行的很快，因為本地代碼是保存在緩存里的。
不過，用JIT編譯器來編譯代碼所花的時間要比用解釋器去一條條解釋執(zhí)行花的時間要多。因此，如果代碼只被執(zhí)行一次的話，那么最好還是解釋執(zhí)行而不是編譯后再執(zhí)行。因此，內置了JIT編譯器的JVM都會檢查方法的執(zhí)行頻率，如果一個方法的執(zhí)行頻率超過一個特定的值的話，那么這個方法就會被編譯成本地代碼。JIT中不要構成如下：
2中間代碼生成器（Intermediate Code Generator）：生成中間代碼
2代碼優(yōu)化器（Code Optimizer）：負責優(yōu)化上面生成的中間代碼
2目標代碼生成器（Target Code Generator）：負責生成機器代碼或本地代碼
2分析器（Profiler）：一個特殊組件，負責查找熱點，即該方法是否被多次調用；
可以簡單這樣理解，JIT編譯器通過中間代碼生成器生成中間代碼，再通過代碼優(yōu)化器負責優(yōu)化生成中間代碼，最后由目標代碼生成器負責生成機器代碼或本機代碼。在這過程中，JIT的分析器，一個特殊的組件,負責尋找熱點,即是否多次調用的方法，再執(zhí)行上述操作。
(3)垃圾收集器(Garbage Collector)：收集和刪除未引用的對象?？梢酝ㄟ^調用System.gc（）觸發(fā)垃圾收集，但不能保證執(zhí)行。JVM的垃圾回收對象是已創(chuàng)建的對象。
另外，Java Native Interface(JNI): JNI將與本機方法庫進行交互，并提供執(zhí)行引擎所需的本機庫。本地方法庫（Native Method Libraries）是執(zhí)行引擎所需的本機庫的集合。
（文末）——謝謝閱讀，希望對你有所幫助。別忘了，點個贊、分享本文，并關注本頭條號喲~
