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Java程序執(zhí)行過(guò)程及內(nèi)存機(jī)制詳解

更新時(shí)間：2020年12月12日 09:06:06 作者：說(shuō)人話

本講將介紹Java代碼是如何一步步運(yùn)行起來(lái)的，還會(huì)介紹Java程序所占用的內(nèi)存是被如何管理的：堆、棧和方法區(qū)都各自負(fù)責(zé)存儲(chǔ)哪些內(nèi)容，感興趣的朋友跟隨小編一起看看吧

本講將介紹Java代碼是如何一步步運(yùn)行起來(lái)的，其中涉及的編譯器，類加載器，字節(jié)碼校驗(yàn)器，解釋器和JIT編譯器在整個(gè)過(guò)程中是發(fā)揮著怎樣的作用。此外還會(huì)介紹Java程序所占用的內(nèi)存是被如何管理的：堆、棧和方法區(qū)都各自負(fù)責(zé)存儲(chǔ)哪些內(nèi)容。最后用一小塊代碼示例來(lái)幫助理解Java程序運(yùn)行時(shí)內(nèi)存的變化。

Java程序執(zhí)行過(guò)程

步驟 1：寫源代碼，源代碼將以.java的文件格式保存在電腦硬盤中。
步驟 2：編譯器（compiler）檢查是否存在編譯期錯(cuò)誤（例如缺少分號(hào)，關(guān)鍵字拼寫錯(cuò)誤等）。若通過(guò)檢測(cè)，編譯器就會(huì)將源代碼翻譯成字節(jié)碼（bytecode），以.class的文件格式保存在電腦硬盤中。
步驟 3：若要運(yùn)行此Java程序，JVM中會(huì)有一個(gè)叫類加載器（class loader）的內(nèi)置程序把字節(jié)碼從硬盤載入到正位于內(nèi)存中的JVM里去。
步驟 4： JVM中還有一個(gè)叫字節(jié)碼校驗(yàn)器（bytecode verifier）的內(nèi)置程序檢測(cè)是否存在運(yùn)行期錯(cuò)誤（例如棧溢出）。若通過(guò)檢測(cè)，字節(jié)碼校驗(yàn)器就會(huì)將字節(jié)碼傳遞給解釋器（interpreter）。
步驟 5：解釋器會(huì)對(duì)字節(jié)碼進(jìn)行逐行翻譯，將其翻譯成當(dāng)前所在系統(tǒng)可以理解的機(jī)器碼（machine code），
步驟 6：將機(jī)器碼交給操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)會(huì)以main方法作為入口開(kāi)始執(zhí)行程序。至此，一個(gè)Java程序就這樣運(yùn)行起來(lái)了。

細(xì)心的讀者可能注意到了，在流程圖中還涉及到一個(gè)叫JIT的東西在步驟中沒(méi)有被解釋。那么JIT編譯器（Just-In-Time Compiler）是如果參與進(jìn)程序的執(zhí)行過(guò)程中呢？讓我們來(lái)看以下兩個(gè)例子。

情況 1：解釋器對(duì)代碼進(jìn)行逐行解釋，正如我們?cè)诓襟E中所介紹的。
情況 2：這是JIT編譯器參與進(jìn)Java執(zhí)行過(guò)程的情況，JIT編譯器會(huì)掃描所有代碼并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。例如此時(shí)它發(fā)現(xiàn)最后一行代碼是重復(fù)多余的，就會(huì)將其移除，只傳遞前4行代碼給解釋器。這樣解釋器就能運(yùn)行地更快速高效，畢竟少了一行多余的代碼需要翻譯。

當(dāng)然，這只是JIT編譯器的優(yōu)化手段之一，不同公司設(shè)計(jì)的JIT編譯器對(duì)Java程序的運(yùn)行會(huì)有不同的優(yōu)化方式。此外需要知道的是，JIT編譯器并不是每次都會(huì)參與到執(zhí)行過(guò)程中來(lái)。

內(nèi)存機(jī)制

在步驟3中我們談到字節(jié)碼會(huì)被類加載器載入到內(nèi)存，那么載入之后JVM是如何對(duì)其進(jìn)行內(nèi)存管理的呢？

通常，在載入內(nèi)存后，一個(gè)Java程序所占用的內(nèi)存會(huì)被大致分為3塊區(qū)域：堆（heap），棧（stack）和方法區(qū)（method area）。

堆：存放new出來(lái)的東西。

棧：存放局部變量。

方法區(qū)：類型信息，字段信息，常量池（constant pool），靜態(tài)變量，方法信息等。

public final class Student extends Object implements Serializable
{ 
// 1.類信息 
// 2.對(duì)象字段信息 
private String name; 
private int score; 
// 3.常量池 
public final int id = 0; 
public final String gender = "male"; 
// 4.靜態(tài)變量 
public static int a = 0; 
// 5.方法信息 
public int getid() 
{ 
return id; 
}}

PC寄存器：存放將要執(zhí)行的指令的地址。（因?yàn)闄C(jī)器的腦子不靈活，所以需要一塊專門的區(qū)域幫他記住執(zhí)行到哪一步，不然它會(huì)忘記）

本地方法棧：與JVM棧所發(fā)揮的作用是非常相似的，其區(qū)別不過(guò)是JVM棧為Java方法服務(wù)，而本地方法棧則是為使用到的Native方法服務(wù)。有的虛擬機(jī)（例如Sun HotSpot虛擬機(jī)）甚至直接就把本地方法棧和虛擬機(jī)棧合二為一。

每個(gè)線程擁有各自獨(dú)立的（虛擬機(jī)）棧、PC寄存器和本地方法棧。而堆和方法區(qū)則是所有線程共享的。

最后讓我們通過(guò)一個(gè)小例子來(lái)理解Java程序執(zhí)行時(shí)內(nèi)存的變化。

public class Person 
{
int id; int age; Person(int id1, int age1)
{ 
id = id1; age = age1; 
} 
public static void main(String[] args) 
{ 
Person Tom = new Person(1, 25); 
} 
}

首先，在stack中申請(qǐng)了一塊內(nèi)存，這塊內(nèi)存區(qū)域名字叫Tom，此時(shí)區(qū)域里存儲(chǔ)的內(nèi)容為null。

接著，調(diào)用Person的構(gòu)造方法，方法的參數(shù)屬于局部變量，因此在stack中有兩塊區(qū)域分別存放id1和age1。

通過(guò)構(gòu)造方法，可以new出來(lái)一個(gè)Person的對(duì)象，這個(gè)對(duì)象連帶著其成員變量會(huì)被存放在heap中。成員變量id和age的值由存放在stack中的局部變量id1和age1賦予。

最后，將這個(gè)對(duì)象的引用值（類似于地址）傳遞給Tom，通過(guò)引用值我們就可以找到這個(gè)對(duì)象。

（注意：位于stack中的id1和age1會(huì)隨著構(gòu)造方法調(diào)用的結(jié)束而消失，這里為了更好地表現(xiàn)全過(guò)程，因此保留在圖中。）

關(guān)于棧和堆的其他小知識(shí)

棧和堆的大小都是固定為一個(gè)默認(rèn)值的，它們作為jvm的參數(shù)設(shè)定好了，不同的jvm設(shè)定的參數(shù)不同，相應(yīng)的棧和堆的大小也就不同。
棧是運(yùn)行時(shí)的單位：里面存儲(chǔ)的信息都是跟當(dāng)前線程相關(guān)的，包括局部變量、程序運(yùn)行狀態(tài)、方法返回值等；而堆是存儲(chǔ)的單位：它只負(fù)責(zé)存儲(chǔ)對(duì)象。
當(dāng)一個(gè)方法調(diào)用結(jié)束后，方法里的局部變量會(huì)隨之消失，不會(huì)在stack中繼續(xù)占用空間。棧與堆的分離使得不同線程可以訪問(wèn)同一個(gè)對(duì)象，這是一種有效的數(shù)據(jù)交互方式（共享內(nèi)存）；此外也節(jié)省了空間，因?yàn)槎阎械墓蚕沓Ａ亢途彺婵梢员凰袟ＴL問(wèn)。

參考https://simplesnippets.tech/execution-process-of-java-program-in-detail-working-of-just-it-time-compiler-jit-in-detail/https://blog.csdn.net/yfqnihao/article/details/8289363 https://www.zhihu.com/question/29833675

到此這篇關(guān)于Java程序執(zhí)行過(guò)程及內(nèi)存機(jī)制詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java程序執(zhí)行過(guò)程及內(nèi)存機(jī)制內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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