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Java代碼有很多種不同的運行方式，比如說可以在開發工具中運行，可以雙擊執行jar檔案運行，也可以在命令列中運行，甚至可以在網頁，
這些執行方式都離不開JRE，Java運行時環境，

JRE僅包含運行Java程式的必需組件，包括Java虛擬機以及Java核心類別庫等，我們Java程式員經常接觸到的JDK（Java開發工具包）同樣包含了JRE，并且還附帶了一系列開發、診斷工具，

然而，運行C++代碼則無需額外的運行時，往往把這些代碼直接編譯成CPU所能理解的代碼格式，即機器碼，

比如下圖的中間列，就是用C語言寫的Helloworld程式的編譯結果，
C程式編譯而成的機器碼就是一個個的位元組，它們是給機器讀的，那為讓開發人員也能理解，用反匯編器將其轉換成匯編代碼（如下圖的最右列所示），

; 最左列是偏移；中間列是給機器讀的機器碼；最右列是給人讀的匯編代碼
0x00:  55                    push   rbp
0x01:  48 89 e5              mov    rbp,rsp
0x04:  48 83 ec 10           sub    rsp,0x10
0x08:  48 8d 3d 3b 00 00 00  lea    rdi,[rip+0x3b] 
                                    ; 加載"Hello, World!\n"
0x0f:  c7 45 fc 00 00 00 00  mov    DWORD PTR [rbp-0x4],0x0
0x16:  b0 00                 mov    al,0x0
0x18:  e8 0d 00 00 00        call   0x12
                                    ; 呼叫printf方法
0x1d:  31 c9                 xor    ecx,ecx
0x1f:  89 45 f8              mov    DWORD PTR [rbp-0x8],eax
0x22:  89 c8                 mov    eax,ecx
0x24:  48 83 c4 10           add    rsp,0x10
0x28:  5d                    pop    rbp
0x29:  c3                    ret

為什么Java要在虛擬機里運行？

Java作為一門高級程式語言，它的語法非常復雜，抽象程度也很高，因此，直接在硬體上運行這種復雜的程式并不現實，所以呢，在運行Java程式之前，需要對其進行一番轉換，

轉換怎么操作

設計一個面向Java語言特性的虛擬機，并通過編譯器將Java程式轉換成該虛擬機所能識別的指令序列，即Java位元組碼，
之所以這么取名，是因為Java位元組碼指令的操作碼（opcode）被固定為一個位元組，

下圖的中間列，正是用Java寫的Helloworld程式編譯而成的位元組碼，可以看到，它與C版本的編譯結果一樣，都是由一個個位元組組成的，
同樣可以將其反匯編為人類可讀的代碼格式（如下圖的最右列所示），
Java版本的編譯結果相對精簡一些，Java虛擬機相對于物理機而言，抽象程度更高，

# 最左列是偏移；中間列是給虛擬機讀的機器碼；最右列是給人讀的代碼
0x00:  b2 00 02         getstatic java.lang.System.out
0x03:  12 03            ldc "Hello, World!"
0x05:  b6 00 04         invokevirtual java.io.PrintStream.println
0x08:  b1               return

Java虛擬機常見的是在各個現有平臺（如Windows_x64、Linux_aarch64）上提供軟體實作，一旦一個程式被轉換成Java位元組碼，便可在不同平臺上的虛擬機實作里運行，即“一次撰寫，到處運行”，

虛擬機的另外一個好處是它帶來托管環境（Managed Runtime），代替我們處理一些代碼中冗長而且容易出錯的部分，自動記憶體管理與垃圾回收，這部分內容甚至催生了一波垃圾回收調優，

托管環境還提供了諸如陣列越界、動態型別、安全權限等等的動態檢測，

Java虛擬機具體是怎樣運行Java位元組碼的？

以標準JDK中的HotSpot虛擬機為例，從虛擬機以及底層硬體兩個角度，給你講一講Java虛擬機具體是怎么運行Java位元組碼的，

虛擬機視角，執行Java代碼首先要將它編譯而成的class檔案加載到Java虛擬機，
加載后的Java類會被存放于方法區（Method Area），實際運行時，虛擬機會執行方法區內的代碼，

這和段式記憶體管理中的代碼段類似，而且，Java虛擬機同樣也在記憶體中劃分出堆和堆疊來存盤運行時資料，

但Java虛擬機會將堆疊細分為面向Java方法的Java方法堆疊，面向本地方法（用C++寫的native方法）的本地方法堆疊，以及存放各個執行緒執行位置的PC暫存器，
運行程序中，每當呼叫進入一個Java方法，Java虛擬機會在當前執行緒的Java方法堆疊中生成一個堆疊幀，存放區域變數以及位元組碼的運算元，這個堆疊幀的大小是提前計算好的，而且Java虛擬機不要求堆疊幀在記憶體空間里連續分布，

當退出當前執行的方法時，不管是正常回傳、例外回傳，Java虛擬機均會彈出當前執行緒的當前堆疊幀，并舍棄，

硬體視角，Java位元組碼無法直接執行，因此，Java虛擬機需要將位元組碼翻譯成機器碼，
HotSpot翻譯程序有兩種形式：

• 解釋執行，逐條將位元組碼翻譯成機器碼并執行
  無需等待編譯
• 即時編譯（Just-In-Time compilation，JIT），將一個方法中包含的所有位元組碼編譯成機器碼后再執行
  實際運行速度更快
  
  HotSpot默認采用混合模式，綜合了解釋執行和即時編譯兩者的優點：
  先解釋執行位元組碼，而后將其中反復執行的熱點代碼，以方法為單位進行即時編譯，

Java虛擬機的運行效率

HotSpot采用了多種技術來提升啟動性能以及峰值性能，即時編譯便是其中最重要的技術之一，

即時編譯建立在程式符合二八定律，百分之二十的代碼占據了百分之八十的計算資源，

• 對占據大部分的不常用的代碼，無需耗費時間將其編譯成機器碼，而是采取解釋執行的方式運行
• 對于僅占據小部分的熱點代碼，我們則可以將其編譯成機器碼，以達到理想運行速度，

理論即時編譯后的Java程式的執行效率，是可能超過C++，因為與靜態編譯相比，即時編譯擁有程式的運行時資訊，并且能夠根據這個資訊做出相應的優化，
虛方法是用來實作多型性，對一個虛方法呼叫，盡管有很多目標方法，但實際運行程序中，可能只呼叫其中一個，

這資訊可被即時編譯器所利用，規避虛方法呼叫的開銷，達到比靜態編譯的C++程式更高的性能，

為滿足不同用戶場景的需要，HotSpot內置了多個即時編譯器：C1、C2和Graal，
Graal是Java 10正式引入的實驗性即時編譯器，

之所以引入多個即時編譯器，為在編譯時間和生成代碼的執行效率之間進行取舍，C1又叫做Client編譯器，面向對啟動性能有要求的客戶端GUI程式，采用的優化手段相對簡單，因此編譯時間較短，
C2又叫做Server編譯器，面向對峰值性能有要求的服務器端程式，采用的優化手段相對復雜，因此編譯時間較長，但同時生成代碼的執行效率較高，

從Java 7開始，HotSpot默認采用分層編譯的方式：熱點方法首先會被C1編譯，而后熱點方法中的熱點會進一步被C2編譯，
為了不干擾應用的正常運行，HotSpot的即時編譯是放在額外的編譯執行緒中進行的，HotSpot會根據CPU的數量設定編譯執行緒的數目，并且按1:2的比例配置給C1及C2編譯器，
在計算資源充足的情況下，位元組碼的解釋執行和即時編譯可同時進行，編譯完成后的機器碼會在下次呼叫該方法時啟用，以替換原本的解釋執行，

總結

在虛擬機中運行，是因為它提供了可移植性，一旦Java代碼被編譯為Java位元組碼，便可以在不同平臺上的Java虛擬機實作上運行，此外，虛擬機還提供了一個代碼托管的環境，代替我們處理部分冗長而且容易出錯的事務，例如記憶體管理，

Java虛擬機將運行時記憶體區域劃分為五個部分，分別為方法區、堆、PC暫存器、Java方法堆疊和本地方法堆疊，Java程式編譯而成的class檔案，需要先加載至方法區中，方能在Java虛擬機中運行，

為了提高運行效率，標準JDK中的HotSpot虛擬機采用的是一種混合執行的策略，

它會解釋執行Java位元組碼，然后會將其中反復執行的熱點代碼，以方法為單位進行即時編譯，翻譯成機器碼后直接運行在底層硬體之上，

HotSpot裝載了多個不同的即時編譯器，以便在編譯時間和生成代碼的執行效率之間做取舍，

參考

• [1]https://en.wikipedia.org/wiki/Java_processor
• [2]https://wiki.openjdk.java.net/display/CodeTools/asmtools