Java虛擬機(jī)如何運(yùn)行Java字節(jié)碼

以標(biāo)準(zhǔn) JDK 中的 HotSpot 虛擬機(jī)為例，從虛擬機(jī)以及底層硬件兩個(gè)角度來看Java 虛擬機(jī)具體是怎么運(yùn)行 Java 字節(jié)碼的。

虛擬機(jī)視角

從虛擬機(jī)視角來看，執(zhí)行 Java 代碼首先需要將它編譯而成的 class 文件加載到 Java 虛擬機(jī)中。

加載后的 Java 類會被存放于方法區(qū)（Method Area）中。

實(shí)際運(yùn)行時(shí)，虛擬機(jī)會執(zhí)行方法區(qū)內(nèi)的代碼。

在運(yùn)行過程中，每當(dāng)調(diào)用進(jìn)入一個(gè) Java 方法，Java 虛擬機(jī)會在當(dāng)前線程的 Java 方法棧中生成一個(gè)棧幀，用以存放局部變量以及字節(jié)碼的操作數(shù)。

這個(gè)棧幀的大小是提前計(jì)算好的，而且 Java 虛擬機(jī)不要求棧幀在內(nèi)存空間里連續(xù)分布。

當(dāng)退出當(dāng)前執(zhí)行的方法時(shí)，不管是正常返回還是異常返回，Java 虛擬機(jī)均會彈出當(dāng)前線程的當(dāng)前棧幀，并將之舍棄。

硬件視角

從硬件視角來看，Java 字節(jié)碼無法直接執(zhí)行。因此，Java 虛擬機(jī)需要將字節(jié)碼翻譯成機(jī)器碼。

在 HotSpot 里面，上述翻譯過程有兩種形式：

• 第一種是解釋執(zhí)行，即逐條將字節(jié)碼翻譯成機(jī)器碼并執(zhí)行；
• 第二種是即時(shí)編譯（Just-In-Time compilation，JIT），即將一個(gè)方法中包含的所有字節(jié)碼編譯成機(jī)器碼后再執(zhí)行。

前者的優(yōu)勢在于無需等待編譯，而后者的優(yōu)勢在于實(shí)際運(yùn)行速度更快。

HotSpot 默認(rèn)采用混合模式，綜合了解釋執(zhí)行和即時(shí)編譯兩者的優(yōu)點(diǎn)。

它會先解釋執(zhí)行字節(jié)碼，而后將其中反復(fù)執(zhí)行的熱點(diǎn)代碼，以方法為單位進(jìn)行即時(shí)編譯。

即時(shí)編譯

即時(shí)編譯建立在程序符合二八定律的假設(shè)上，也就是百分之二十的代碼占據(jù)了百分之八十的計(jì)算資源。

對于占據(jù)大部分的不常用的代碼，我們無需耗費(fèi)時(shí)間將其編譯成機(jī)器碼，而是采取解釋執(zhí)行的方式運(yùn)行；

另一方面，對于僅占據(jù)小部分的熱點(diǎn)代碼，我們則可以將其編譯成機(jī)器碼，以達(dá)到理想的運(yùn)行速度。

為了滿足不同用戶場景的需要，HotSpot 內(nèi)置了多個(gè)即時(shí)編譯器：C1、C2 和 Graal。

Graal 是 Java 10 正式引入的實(shí)驗(yàn)性即時(shí)編譯器，這里暫不做討論。

之所以引入多個(gè)即時(shí)編譯器，是為了在編譯時(shí)間和生成代碼的執(zhí)行效率之間進(jìn)行取舍。

• C1 又叫做 Client 編譯器，面向的是對啟動(dòng)性能有要求的客戶端 GUI 程序，采用的優(yōu)化手段相對簡單，因此編譯時(shí)間較短。
• C2 又叫做 Server 編譯器，面向的是對峰值性能有要求的服務(wù)器端程序，采用的優(yōu)化手段相對復(fù)雜。

因此編譯時(shí)間較長，但同時(shí)生成代碼的執(zhí)行效率較高。

從 Java 7 開始，HotSpot 默認(rèn)采用分層編譯的方式：熱點(diǎn)方法首先會被 C1 編譯，而后熱點(diǎn)方法中的熱點(diǎn)會進(jìn)一步被 C2 編譯。

為了不干擾應(yīng)用的正常運(yùn)行，HotSpot 的即時(shí)編譯是放在額外的編譯線程中進(jìn)行的。

HotSpot 會根據(jù) CPU 的數(shù)量設(shè)置編譯線程的數(shù)目，并且按 1:2 的比例配置給 C1 及 C2 編譯器。

在計(jì)算資源充足的情況下，字節(jié)碼的解釋執(zhí)行和即時(shí)編譯可同時(shí)進(jìn)行。

編譯完成后的機(jī)器碼會在下次調(diào)用該方法時(shí)啟用，以替換原本的解釋執(zhí)行。

總結(jié)

以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，希望能給大家一個(gè)參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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