Java程序運(yùn)行時(shí)，必須經(jīng)過(guò)編譯和運(yùn)行兩個(gè)步驟。首先將后綴名為.java的源文件進(jìn)行編譯，最終生成后綴名為.class的字節(jié)碼文件。然后Java虛擬機(jī)將編譯好的字節(jié)碼文件加載到內(nèi)存（這個(gè)過(guò)程被稱為類加載，是由加載器完成的），然后虛擬機(jī)針對(duì)加載到內(nèi)存的java類進(jìn)行解釋執(zhí)行，顯示結(jié)果。

Java的運(yùn)行原理

在Java中引入了虛擬機(jī)的概念，即在機(jī)器和編譯程序之間加入了一層抽象的虛擬的機(jī)器。這臺(tái)虛擬的機(jī)器在任何平臺(tái)上都提供給編譯程序一個(gè)的共同的接口。編譯程序只需要面向虛擬機(jī)，生成虛擬機(jī)能夠理解的代碼，然后由解釋器來(lái)將虛擬機(jī)代碼轉(zhuǎn)換為特定系統(tǒng)的機(jī)器碼執(zhí)行。在Java中，這種供虛擬機(jī)理解的代碼叫做字節(jié)碼（ByteCode），它不面向任何特定的處理器，只面向虛擬機(jī)。每一種平臺(tái)的解釋器是不同的，但是實(shí)現(xiàn)的虛擬機(jī)是相同的。Java源程序經(jīng)過(guò)編譯器編譯后變成字節(jié)碼，字節(jié)碼由虛擬機(jī)解釋執(zhí)行，虛擬機(jī)將每一條要執(zhí)行的字節(jié)碼送給解釋器，解釋器將其翻譯成特定機(jī)器上的機(jī)器碼，然后在特定的機(jī)器上運(yùn)行。

Java代碼編譯和執(zhí)行的整個(gè)過(guò)程

Java代碼編譯是由Java源碼編譯器來(lái)完成，流程圖如下所示：

Java字節(jié)碼的執(zhí)行是由JVM執(zhí)行引擎來(lái)完成，流程圖如下所示：

Java代碼編譯和執(zhí)行的整個(gè)過(guò)程包含了以下三個(gè)重要的機(jī)制：

Java源碼編譯機(jī)制

類加載機(jī)制

類執(zhí)行機(jī)制

Java源碼編譯機(jī)制

Java 源碼編譯由以下三個(gè)過(guò)程組成：（javac –verbose 輸出有關(guān)編譯器正在執(zhí)行的操作的消息）

分析和輸入到符號(hào)表

注解處理

語(yǔ)義分析和生成class文件

最后生成的class文件由以下部分組成：

1、結(jié)構(gòu)信息。包括class文件格式版本號(hào)及各部分的數(shù)量與大小的信息

2、元數(shù)據(jù)。對(duì)應(yīng)于Java源碼中聲明與常量的信息。包含類/繼承的超類/實(shí)現(xiàn)的接口的聲明信息、域與方法聲明信息和常量池

3、方法信息。對(duì)應(yīng)Java源碼中語(yǔ)句和表達(dá)式對(duì)應(yīng)的信息。包含字節(jié)碼、異常處理器表、求值棧與局部變量區(qū)大小、求值棧的類型記錄、調(diào)試符號(hào)信息

類加載機(jī)制

JVM的類加載是通過(guò)ClassLoader及其子類來(lái)完成的，類的層次關(guān)系和加載順序可以由下圖來(lái)描述：

1）Bootstrap ClassLoader /啟動(dòng)類加載器

$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar里所有的class，由C++實(shí)現(xiàn)，不是ClassLoader子類

2）Extension ClassLoader/擴(kuò)展類加載器

負(fù)責(zé)加載java平臺(tái)中擴(kuò)展功能的一些jar包，包括$JAVA_HOME中jre/lib/*.jar或-Djava.ext.dirs指定目錄下的jar包

3）App ClassLoader/ 系統(tǒng)類加載器

負(fù)責(zé)記載classpath中指定的jar包及目錄中class

4）Custom ClassLoader/用戶自定義類加載器（java.lang.ClassLoader的子類）

屬于應(yīng)用程序根據(jù)自身需要自定義的ClassLoader，如tomcat、jboss都會(huì)根據(jù)j2ee規(guī)范自行實(shí)現(xiàn)ClassLoader

加載過(guò)程中會(huì)先檢查類是否被已加載，檢查順序是自底向上，從Custom ClassLoader到BootStrap ClassLoader逐層檢查，只要某個(gè)classloader已加載就視為已加載此類，保證此類只所有ClassLoader加載一次。而加載的順序是自頂向下，也就是由上層來(lái)逐層嘗試加載此類。

類加載雙親委派機(jī)制介紹和分析

在這里，需要著重說(shuō)明的是，JVM在加載類時(shí)默認(rèn)采用的是雙親委派機(jī)制。通俗的講，就是某個(gè)特定的類加載器在接到加載類的請(qǐng)求時(shí)，首先將加載任務(wù)委托給父類加載器，依次遞歸，如果父類加載器可以完成類加載任務(wù)，就成功返回；只有父類加載器無(wú)法完成此加載任務(wù)時(shí)，才自己去加載。

類執(zhí)行機(jī)制

JVM是基于棧的體系結(jié)構(gòu)來(lái)執(zhí)行class字節(jié)碼的。線程創(chuàng)建后，都會(huì)產(chǎn)生程序計(jì)數(shù)器（PC）和棧（Stack），程序計(jì)數(shù)器存放下一條要執(zhí)行的指令在方法內(nèi)的偏移量，棧中存放一個(gè)個(gè)棧幀，每個(gè)棧幀對(duì)應(yīng)著每個(gè)方法的每次調(diào)用，而棧幀又是有局部變量區(qū)和操作數(shù)棧兩部分組成，局部變量區(qū)用于存放方法中的局部變量和參數(shù)，操作數(shù)棧中用于存放方法執(zhí)行過(guò)程中產(chǎn)生的中間結(jié)果。

執(zhí)行過(guò)程如下

1、為main方法創(chuàng)建棧幀：

局部變量表長(zhǎng)度為2，slot0存放參數(shù)args，slot1存放局部變量Student s，操作數(shù)棧最大深度為5。

2、new#7指令，在java堆中創(chuàng)建一個(gè)Student對(duì)象，并將其引用值放入棧頂。

3、初始化一個(gè)對(duì)象（通過(guò)實(shí)例構(gòu)造的方式）

up指令：復(fù)制棧頂?shù)闹?，然后將?fù)制的結(jié)果入棧。

bipush 23：將單字節(jié)常量值23入棧。

ldc #8：將#8這個(gè)常量池中的常量即”dqrcsc”取出，并入棧。

ldc #9：將#9這個(gè)常量池中的常量即”20150723”取出，并入棧。

4、invokespecial #10：調(diào)用#10這個(gè)常量所代表的方法，即Student.（）這個(gè)方法，這步是為了初始化對(duì)象s的各項(xiàng)值

《init》（）方法，是編譯器將調(diào)用父類的《init》（）的語(yǔ)句、構(gòu)造代碼塊、實(shí)例字段賦值語(yǔ)句，以及自己編寫(xiě)的構(gòu)造方法中的語(yǔ)句整合在一起生成的一個(gè)方法。保證調(diào)用父類的《init》（）方法在最開(kāi)頭，自己編寫(xiě)的構(gòu)造方法語(yǔ)句在最后，而構(gòu)造代碼塊及實(shí)例字段賦值語(yǔ)句按出現(xiàn)的順序按序整合到《init》（）方法中。

注意到Student.《init》（）方法的最大操作數(shù)棧深度為3，局部變量表大小為4。

此時(shí)需注意：從dup到ldc #9這四條指令向棧中添加了4個(gè)數(shù)據(jù)，而Student.（）方法剛好也需要4個(gè)參數(shù)：

public Student（int age， String name， String sid）{

super（age，name）;

this.sid = sid;

}1234567

雖然定義中只顯式地定義了傳入3個(gè)參數(shù)，而實(shí)際上會(huì)隱含傳入一個(gè)當(dāng)前對(duì)象的引用作為第一個(gè)參數(shù)，所以四個(gè)參數(shù)依次為this，age，name，sid。

上面的4條指令剛好把這四個(gè)參數(shù)的值依次入棧，進(jìn)行參數(shù)傳遞，然后調(diào)用了Student.《init》（）方法，會(huì)創(chuàng)建該方法的棧幀，并入棧。棧幀中的局部變量表的第0到4個(gè)slot分別保存著入棧的那四個(gè)參數(shù)值。

創(chuàng)建Studet.《init》（）方法的棧幀：

Student.《init》（）方法中的字節(jié)碼指令：

aload_0：將局部變量表slot0處的引用值入棧

aload_1：將局部變量表slot1處的int值入棧

aload_2：將局部變量表slot2處的引用值入棧

invokespecial #1：調(diào)用Person.（）方法，同調(diào)用Student.過(guò)程類似，創(chuàng)建棧幀，將三個(gè)參數(shù)的值存放到局部變量表等，這里就不畫(huà)圖了……

從Person.（）返回之后，用于傳參的棧頂?shù)?個(gè)值被回收了。

aload_0：將slot0處的引用值入棧。

aload_3：將slot3處的引用值入棧。

putfield #2：將當(dāng)前棧頂?shù)闹怠?0150723”賦值給0x2222所引用對(duì)象的sid字段，然后棧中的兩個(gè)值出棧。

return：返回調(diào)用方即main（）方法，當(dāng)前方法棧幀出棧。

重新回到main（）方法中，繼續(xù)執(zhí)行下面的字節(jié)碼指令：

astore_1：將當(dāng)前棧頂引用類型的值賦值給slot1處的局部變量，然后出棧。

5、到這兒為止，第一行代碼執(zhí)行完畢，將s返回給局部變量表，執(zhí)行下邊的

public static void main（String［］ args）{

Student s = new Student（23，“dqrcsc”，“20150723”）;//執(zhí)行完畢

s.study（5，6）;

Student.getCnt（）;

s.run（）;

}1234567891011

aload_1：slot1處的引用類型的值入棧

iconst_5：將常數(shù)5入棧，int型常數(shù)只有0-5有對(duì)應(yīng)的iconst_x指令

bipush 6：將常數(shù)6入棧

6、開(kāi)始執(zhí)行第二行代碼，也就是strudy方法

invokevirtual #11：調(diào)用虛方法study（），這個(gè)方法是重寫(xiě)的接口中的方法，需要?jiǎng)討B(tài)分派，所以使用了invokevirtual指令。

創(chuàng)建study（）方法的棧幀：

最大棧深度3，局部變量表5

方法的java源碼：

這里寫(xiě)代碼片public int study（int a， int b）{

int c = 10;

int d = 20;

return a+b*c-d;

}123456789

bipush 10：將10入棧

istore_3：將棧頂?shù)?0賦值給slot3處的int局部變量，即c，出棧。

bipush 20：將20入棧

istore 4：將棧頂?shù)?0付給slot4處的int局部變量，即d，出棧。

上面4條指令，完成對(duì)c和d的賦值工作。

iload_1、iload_2、iload_3這三條指令將slot1、slot2、slot3這三個(gè)局部變量入棧：

imul：將棧頂?shù)膬蓚€(gè)值出棧，相乘的結(jié)果入棧：

iadd：將當(dāng)前棧頂?shù)膬蓚€(gè)值出棧，相加的結(jié)果入棧

iload 4：將slot4處的int型的局部變量入

isub：將棧頂兩個(gè)值出棧，相減結(jié)果入棧：

ireturn：將當(dāng)前棧頂?shù)闹捣祷氐秸{(diào)用方。

7、到這兒為止，第二行代碼執(zhí)行完畢，返回值返回給s，執(zhí)行下邊的

public static void main（String［］ args）{

Student s = new Student（23，“dqrcsc”，“20150723”）;//執(zhí)行完畢

s.study（5，6）;

Student.getCnt（）;

s.run（）;

}1234567891011

invokestatic #12 調(diào)用靜態(tài)方法getCnt（）不需要傳任何參數(shù)

pop：getCnt（）方法有返回值，將其出棧

aload_1：將slot1處的引用值入棧

invokevirtual #13：調(diào)用0x2222對(duì)象的run（）方法，重寫(xiě)自父類的方法，需要?jiǎng)討B(tài)分派，所以使用invokevirtual指令

return：main（）返回，程序運(yùn)行結(jié)束。