JAVA程序运行原理分析

我们先了解一下JAVA的一些概念：

JVM：是指JAVA虚拟机，用于提供java解释环境，形成可执行文件。不同平台的JVM各有不同，但均提供相同的接口。
JRE：即JAVA运行环境。
JDK：核心开发包，提供java编译器、运行相关的环境、工具和类库。
编译型语言和解释型语言：

JAVA程序的运行原理：

源文件（.java源代码）通过编译器编译成字节码文件class。
通过JVM中的解释器将字节码文件生成对应的可执行文件，运行。
将编译后的程序加载到方法区，存储类信息。
运行时，JVM创建线程来执行代码，在虚拟机栈和程序计数器分配独占的空间。根据方法区里的指令码，在虚拟机栈对线程进行操作，程序计数器保存线程代码执行到哪个位置。

“一处编写，处处运行”：编译后，不依赖于平台环境，在各种操作系统均可运行。

JAVA程序的运行原理
Class字节码文件：是一个二进制文件，包含了JAVA程序执行的字节码，包含的信息有版本、访问标志、常量池、当前类、超级类、接口、字段、方法、属性等，中间没有任何分隔符，文件开头有一个特殊标志，用16进制表示为0xcafebabe。

Class文件反编译后，可通过“JVM指令码表”查看指令，这些指令运行时都保存在方法区。

从指令码中看出，没有定义构造函数时，会有隐式的无参构造函数；方法参数保存在虚拟机栈里的本地变量表，每一个main方法都有一个String数组参数，保存在本地变量表的变量0。

JVM运行时数据区：包含线程共享部分和线程独占部分。

线程共享：线程共同访问的内存数据空间，随着JVM（虚拟机）或者GC（垃圾回收）而创建和销毁。包含方法区和堆内存。

1、方法区：JVM用来存储加载的类信息、常量、静态变量、编译后的代码等数据。在JVM规范中，这是一个逻辑区，根据不同的虚拟机有不同的具体实现，如oracle的HotSpot的方法区，在java7中放在永久代，java8中放在元数据空间，并通过GC机制对这个区域进行管理。目前有三大Java虚拟机：HotSpot，oracle JRockit，IBM J9。

2、堆内存：存放对象的实例，在JVM启动时创建。可细分为老年代、新生代，垃圾回收器主要就是管理堆内存，如果满了就会出现OOM（OutOfMemoryError）。

线程独占：每个线程都会有自己独立的空间，随着线程的生命周期而创建和销毁。包含虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器。

1、虚拟机栈：即虚拟机执行JAVA代码的栈，每个线程都会在这有一个私有空间。线程栈由多个栈帧（Stack Frame）组成，一个线程会执行一个或多个方法，一个方法对应一个栈帧。栈帧内容包括：局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址、附加信息等。栈内存默认最大是1M，超出则抛StackOverflowError。

2、本地方法栈：即虚拟机执行Native本地方法的栈，和虚拟机栈的主要区别是执行的方法不同。在虚拟机规范没有规定具体的实现，由不同的虚拟机厂商去实现。HotSpot虚拟机中虚拟机栈和本地方法栈的实现方式是一样的，超出大小后也会抛出StackOverflowError。

3、程序计数器：记录当前线程执行字节码的位置，存储的是字节码指定地址，如果执行Native方法，则计数器值为空。每个线程在这都有一个私有空间，占用很少的内存空间。

CPU同一时间只会执行一条线程中的指令，JVM多线程会轮流切换并分配CPU执行时间，在线程切换后，需要通过程序计数器来回复正确的执行位置。

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