說到Java虛擬機(jī)，相信作為Java程序員的小伙伴們都不陌生，他們每天都在寫Java代碼，寫的代碼都是在一個叫做Java虛擬機(jī)的東西上執(zhí)行的。但是如果要問什么是虛擬機(jī)，恐怕很多人就會模棱兩可了。

我們都知道java程序必須在虛擬機(jī)上運(yùn)行。那么虛擬機(jī)到底是什么呢？先看網(wǎng)上搜索到的比較靠譜的解釋：

虛擬機(jī)是一種抽象化的計算機(jī)，通過在實(shí)際的計算機(jī)上仿真模擬各種計算機(jī)功能來實(shí)現(xiàn)的。Java虛擬機(jī)有自己完善的硬體架構(gòu)，如處理器、堆棧、寄存器等，還具有相應(yīng)的指令系統(tǒng)。JVM屏蔽了與具體操作系統(tǒng)平臺相關(guān)的信息，使得Java程序只需生成在Java虛擬機(jī)上運(yùn)行的目標(biāo)代碼（字節(jié)碼），就可以在多種平臺上不加修改地運(yùn)行。

這種解釋應(yīng)該算是正確的，但是只描述了虛擬機(jī)的外部行為和功能，并沒有針對內(nèi)部原理做出說明。一般情況下我們不需要知道虛擬機(jī)的運(yùn)行原理，只要專注寫java代碼就可以了，這也正是虛擬機(jī)之所以存在的原因--屏蔽底層操作系統(tǒng)平臺的不同并且減少基于原生語言開發(fā)的復(fù)雜性，使java這門語言能夠跨各種平臺（只要虛擬機(jī)廠商在特定平臺上實(shí)現(xiàn)了虛擬機(jī)），并且簡單易用。這些都是虛擬機(jī)的外部特性，但是從這些信息來解釋虛擬機(jī)，未免太籠統(tǒng)了，無法讓我們知道內(nèi)部原理。

從進(jìn)程的角度解釋JVM

讓我們嘗試從操作系統(tǒng)的層面來理解虛擬機(jī)。我們知道，虛擬機(jī)是運(yùn)行在操作系統(tǒng)之中的，那么什么東西才能在操作系統(tǒng)中運(yùn)行呢？當(dāng)然是進(jìn)程，因?yàn)檫M(jìn)程是操作系統(tǒng)中的執(zhí)行單位?？梢赃@樣理解，當(dāng)它在運(yùn)行的時候，它就是一個操作系統(tǒng)中的進(jìn)程實(shí)例，當(dāng)它沒有在運(yùn)行時（作為可執(zhí)行文件存放于文件系統(tǒng)中），可以把它叫做程序。

對命令行比較熟悉的同學(xué)，都知道其實(shí)一個命令對應(yīng)一個可執(zhí)行的二進(jìn)制文件，當(dāng)敲下這個命令并且回車后，就會創(chuàng)建一個進(jìn)程，加載對應(yīng)的可執(zhí)行文件到進(jìn)程的地址空間中，并且執(zhí)行其中的指令。下面對比C語言和Java語言的HelloWorld程序來說明問題。

首先編寫C語言版的HelloWorld程序。

編譯C語言版的HelloWorld程序：gcc HelloWorld.c-o HelloWorld

運(yùn)行C語言版的HelloWorld程序：

zhangjg linux:/deve/workspace/HelloWorld/src$./HelloWorld

hello world

gcc編譯器編譯后的文件直接就是可被操作系統(tǒng)識別的二進(jìn)制可執(zhí)行文件，當(dāng)我們在命令行中敲下。/HelloWorld這條命令的時候，直接創(chuàng)建一個進(jìn)程，并且將可執(zhí)行文件加載到進(jìn)程的地址空間中，執(zhí)行文件中的指令。

作為對比，我們看一下Java版HelloWord程序的編譯和執(zhí)行形式。

首先編寫源文件HelloWord.java ：

編譯Java版的HelloWorld程序：

zhangjg linux:/deve/workspace/HelloJava/src$javac HelloWorld.java

zhangjg linux:/deve/workspace/HelloJava/src$ls

HelloWorld.class HelloWorld.java

運(yùn)行Java版的HelloWorld程序：

zhangjg linux:/deve/workspace/HelloJava/src$java-classpath.HelloWorld

HelloWorld

從上面的過程可以看到，在運(yùn)行Java版的HelloWorld程序的時候，敲入的命令并不是。/HelloWorld.class。因?yàn)閏lass文件并不是可以直接被操作系統(tǒng)識別的二進(jìn)制可執(zhí)行文件。我們敲入的是java這個命令。這個命令說明，我們首先啟動的是一個叫做java的程序，這個java程序在運(yùn)行起來之后就是一個JVM進(jìn)程實(shí)例。

上面的命令執(zhí)行流程是這樣的：

java命令首先啟動虛擬機(jī)進(jìn)程，虛擬機(jī)進(jìn)程成功啟動后，讀取參數(shù)“HelloWorld”，把他作為初始類加載到內(nèi)存，對這個類進(jìn)行初始化和動態(tài)鏈接（關(guān)于類的初始化和動態(tài)鏈接會在后面的博客中介紹），然后從這個類的main方法開始執(zhí)行。也就是說我們的.class文件不是直接被系統(tǒng)加載后直接在cpu上執(zhí)行的，而是被一個叫做虛擬機(jī)的進(jìn)程托管的。首先必須虛擬機(jī)進(jìn)程啟動就緒，然后由虛擬機(jī)中的類加載器加載必要的class文件，包括jdk中的基礎(chǔ)類（如String和Object等），然后由虛擬機(jī)進(jìn)程解釋class字節(jié)碼指令，把這些字節(jié)碼指令翻譯成本機(jī)cpu能夠識別的指令，才能在cpu上運(yùn)行。

從這個層面上來看，在執(zhí)行一個所謂的java程序的時候，真真正正在執(zhí)行的是一個叫做Java虛擬機(jī)的進(jìn)程，而不是我們寫的一個個的class文件。這個叫做虛擬機(jī)的進(jìn)程處理一些底層的操作，比如內(nèi)存的分配和釋放等等。我們編寫的class文件只是虛擬機(jī)進(jìn)程執(zhí)行時需要的“原料”。這些“原料”在運(yùn)行時被加載到虛擬機(jī)中，被虛擬機(jī)解釋執(zhí)行，以控制虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)我們java代碼中所定義的一些相對高層的操作，比如創(chuàng)建一個文件等，可以將class文件中的信息看做對虛擬機(jī)的控制信息，也就是一種虛擬指令。

編程語言也有自己的原理，學(xué)習(xí)一門語言，主要是把它的原理搞明白?？此埔粋€簡單的HelloWorld程序，也有很多深入的內(nèi)容值得剖析。

JVM體系結(jié)構(gòu)簡介

為了展示虛擬機(jī)進(jìn)程和class文件的關(guān)系，特意畫了下面一張圖：

根據(jù)上圖表達(dá)的內(nèi)容，編譯之后的class文件是作為Java虛擬機(jī)的原料被輸入到Java虛擬機(jī)的內(nèi)部的，那么具體由誰來做這一部分工作呢？其實(shí)在Java虛擬機(jī)內(nèi)部，有一個叫做類加載器的子系統(tǒng)，這個子系統(tǒng)用來在運(yùn)行時根據(jù)需要加載類。注意上面一句話中的“根據(jù)需要”四個字。在Java虛擬機(jī)執(zhí)行過程中，只有他需要一個類的時候，才會調(diào)用類加載器來加載這個類，并不會在開始運(yùn)行時加載所有的類。就像一個人，只有餓的時候才去吃飯，而不是一次把一年的飯都吃到肚子里。一般來說，虛擬機(jī)加載類的時機(jī)，在第一次使用一個新的類的時候。本專欄后面的文章會具體討論Java中的類加載器。

由虛擬機(jī)加載的類，被加載到Java虛擬機(jī)內(nèi)存中之后，虛擬機(jī)會讀取并執(zhí)行它里面存在的字節(jié)碼指令。虛擬機(jī)中執(zhí)行字節(jié)碼指令的部分叫做執(zhí)行引擎。就像一個人，不是把飯吃下去就完事了，還要進(jìn)行消化，執(zhí)行引擎就相當(dāng)于人的腸胃系統(tǒng)。在執(zhí)行的過程中還會把各個class文件動態(tài)的連接起來。關(guān)于執(zhí)行引擎的具體行為和動態(tài)鏈接相關(guān)的內(nèi)容也會在本專欄后續(xù)的文章中進(jìn)行討論。

我們知道，Java虛擬機(jī)會進(jìn)行自動內(nèi)存管理。具體說來就是自動釋放沒有用的對象，而不需要程序員編寫代碼來釋放分配的內(nèi)存。這部分工作由垃圾收集子系統(tǒng)負(fù)責(zé)。

從上面的論述可以知道，一個Java虛擬機(jī)實(shí)例在運(yùn)行過程中有三個子系統(tǒng)來保障它的正常運(yùn)行，分別是類加載器子系統(tǒng)，執(zhí)行引擎子系統(tǒng)和垃圾收集子系統(tǒng)。如下圖所示：

虛擬機(jī)的運(yùn)行，必須加載class文件，并且執(zhí)行class文件中的字節(jié)碼指令。它做這么多事情，必須需要自己的空間。就像人吃下去的東西首先要放在胃中。虛擬機(jī)也需要空間來存放個中數(shù)據(jù)。首先，加載的字節(jié)碼，需要一個單獨(dú)的內(nèi)存空間來存放；一個線程的執(zhí)行，也需要內(nèi)存空間來維護(hù)方法的調(diào)用關(guān)系，存放方法中的數(shù)據(jù)和中間計算結(jié)果；在執(zhí)行的過程中，無法避免的要創(chuàng)建對象，創(chuàng)建的對象需要一個專門的內(nèi)存空間來存放。

總結(jié)：

1虛擬機(jī)并不神秘，在操作系統(tǒng)的角度看來，它只是一個普通進(jìn)程。

2這個叫做虛擬機(jī)的進(jìn)程比較特殊，它能夠加載我們編寫的class文件。如果把JVM比作一個人，那么class文件就是我們吃的食物。

3加載class文件的是一個叫做類加載器的子系統(tǒng)。就好比我們的嘴巴，把食物吃到肚子里。

4虛擬機(jī)中的執(zhí)行引擎用來執(zhí)行class文件中的字節(jié)碼指令。就好比我們的腸胃，對吃進(jìn)去的食物進(jìn)行消化。

5虛擬機(jī)在執(zhí)行過程中，要分配內(nèi)存創(chuàng)建對象。當(dāng)這些對象過時無用了，必須要自動清理這些無用的對象。清理對象回收內(nèi)存的任務(wù)由垃圾收集器負(fù)責(zé)。就好比人吃進(jìn)去的食物，在消化之后，必須把廢物排出體外，騰出空間可以在下次餓的時候吃飯并消化食物。