一探究竟:为什么需要 JVM?它处在什么位置?

小熊学Java全能学习+面试指南:https://www.javaxiaobear.cn/

JVM我们并不陌生,现在我们就正式进入 JVM 的学习,如果你是一名软件开发工程师,在日常工作中除了 Java 这个关键词外,还有一个名词也一定经常被提及,那就是 JVM。提到 JVM 我们经常会在面试中遇到这样的问题:

  • 为什么 Java 研发系统需要 JVM?
  • 对你 JVM 的运行原理了解多少?
  • 我们写的 Java 代码到底是如何运行起来的?

想要在面试中完美地回答这三个问题,就需要首先了解 JVM 是什么?它和 Java 有什么关系?又与 JDK 有什么渊源?接下来,我就带你拨开这些问题的层层迷雾,想要弄清楚这些问题,我们首先需要从这三个维度去思考:

  • JVM 和操作系统的关系?
  • JVM、JRE、JDK 的关系?
  • Java 虚拟机规范和 Java 语言规范的关系?

弄清楚这几者的关系后,我们再以一个简单代码示例来看一下一个 Java 程序到底是如何执行的。

JVM 和操作系统的关系

在武侠小说中,想要炼制一把睥睨天下的宝剑,是需要下一番功夫的。除了要有上等的铸剑技术,还需要一鼎经百炼的剑炉,而工程师就相当于铸剑的剑师,JVM 便是剑炉。

JVM 全称 Java Virtual Machine,也就是我们耳熟能详的 Java 虚拟机。它能识别 .class后缀的文件,并且能够解析它的指令,最终调用操作系统上的函数,完成我们想要的操作。

一般情况下,使用 C++ 开发的程序,编译成二进制文件后,就可以直接执行了,操作系统能够识别它;但是 Java 程序不一样,使用 javac 编译成 .class 文件之后,还需要使用 Java 命令去主动执行它,操作系统并不认识这些 .class 文件。

你可能会想,我们为什么不能像 C++ 一样,直接在操作系统上运行编译后的二进制文件呢?而非要搞一个处于程序与操作系统中间层的虚拟机呢?

这就是 JVM 的过人之处了。大家都知道,Java 是一门抽象程度特别高的语言,提供了自动内存管理等一系列的特性。这些特性直接在操作系统上实现是不太可能的,所以就需要 JVM 进行一番转换。

有了上面的介绍,我们就可以做如下的类比。

  • JVM:等同于操作系统;
  • Java 字节码:等同于汇编语言。

Java 字节码一般都比较容易读懂,这从侧面上证明 Java 语言的抽象程度比较高。你可以把 JVM 认为是一个翻译器,会持续不断的翻译执行 Java 字节码,然后调用真正的操作系统函数,这些操作系统函数是与平台息息相关的。

如果你还是对上面的介绍有点模糊,可以参考下图:

从图中可以看到,有了 JVM 这个抽象层之后,Java 就可以实现跨平台了。JVM 只需要保证能够正确执行 .class 文件,就可以运行在诸如 Linux、Windows、MacOS 等平台上了。

而 Java 跨平台的意义在于一次编译,处处运行,能够做到这一点 JVM 功不可没。比如我们在 Maven 仓库下载同一版本的 jar 包就可以到处运行,不需要在每个平台上再编译一次。

现在的一些 JVM 的扩展语言,比如 Clojure、JRuby、Groovy 等,编译到最后都是 .class 文件,Java 语言的维护者,只需要控制好 JVM 这个解析器,就可以将这些扩展语言无缝的运行在 JVM 之上了。

我们用一句话概括 JVM 与操作系统之间的关系:JVM 上承开发语言,下接操作系统,它的中间接口就是字节码。

而 Java 程序和我们通常使用的 C++ 程序有什么不同呢?这里用两张图进行说明。

对比这两张图可以看到 C++ 程序是编译成操作系统能够识别的 .exe 文件,而 Java 程序是编译成 JVM 能够识别的 .class 文件,然后由 JVM 负责调用系统函数执行程序。

JVM、JRE、JDK的关系

通过上面的学习我们了解到 JVM 是 Java 程序能够运行的核心。但是需要注意,JVM 自己什么也干不了,你需要给它提供生产原料(.class 文件)。俗语说的好,巧妇难为无米之炊。它虽然功能强大,但仍需要为它提供 .class 文件。

仅仅是 JVM,是无法完成一次编译,处处运行的。它需要一个基本的类库,比如怎么操作文件、怎么连接网络等。而 Java 体系很慷慨,会一次性将 JVM 运行所需的类库都传递给它。JVM 标准加上实现的一大堆基础类库,就组成了 Java 的运行时环境,也就是我们常说的 JRE(Java Runtime Environment)。

有了 JRE 之后,我们的 Java 程序便可以在浏览器中运行了。大家可以看一下自己安装的 Java 目录,如果是只需要执行一些 Java 程序,只需要一个 JRE 就足够了。

对于 JDK 来说,就更庞大了一些。除了 JRE,JDK 还提供了一些非常好用的小工具,比如 javac、java、jar 等。它是 Java 开发的核心,让外行也可以炼剑!

我们也可以看下 JDK 的全拼,Java Development Kit。我非常怕 kit(装备)这个单词,它就像一个无底洞,预示着你永无休止的对它进行研究。JVM、JRE、JDK 它们三者之间的关系,可以用一个包含关系表示。

  • JDK>JRE>JVM

Java 虚拟机规范和 Java 语言规范的关系

我们通常谈到 JVM,首先会想到它的垃圾回收器,其实它还有很多部分,比如对字节码进行解析的执行引擎等。广义上来讲,JVM 是一种规范,它是最为官方、最为准确的文档;狭义上来讲,由于我们使用 Hotspot 更多一些,我们一般在谈到这个概念时,会将它们等同起来。

如果再加上我们平常使用的 Java 语言的话,可以得出下面这样一张图。这是 Java 开发人员必须要搞懂的两个规范。

左半部分是 Java 虚拟机规范,其实就是为输入和执行字节码提供一个运行环境。右半部分是我们常说的 Java 语法规范,比如 switch、for、泛型、lambda 等相关的程序,最终都会编译成字节码。而连接左右两部分的桥梁依然是 Java 的字节码。

如果 .class 文件的规格是不变的,这两部分是可以独立进行优化的。但 Java 也会偶尔扩充一下 .class 文件的格式,增加一些字节码指令,以便支持更多的特性。

我们可以把 Java 虚拟机可以看作是一台抽象的计算机,它有自己的指令集以及各种运行时内存区域,学过《计算机组成结构》的同学会在课程的后面看到非常多的相似性。

你可能会有疑问,如果我不学习 JVM,会影响我写 Java 代码么?理论上,这两者没有什么必然的联系。它们之间通过 .class 文件进行交互,即使你不了解 JVM,也能够写大多数的 Java 代码。就像是你写 C++ 代码一样,并不需要特别深入的了解操作系统的底层是如何实现的。

但是,如果你想要写一些比较精巧、效率比较高的代码,就需要了解一些执行层面的知识了。了解 JVM,主要用在调优以及故障排查上面,你会对运行中的各种资源分配,有一个比较全面的掌控。

我们写的 Java 代码到底是如何运行起来的

最后,我们简单看一下一个 Java 程序的执行过程,它到底是如何运行起来的。

这里的 Java 程序是文本格式的。比如下面这段 HelloWorld.java,它遵循的就是 Java 语言规范。其中,我们调用了 System.out 等模块,也就是 JRE 里提供的类库。

public class HelloWorld {public static void main(String[] args) {System.out.println("Hello World");}
}

使用 JDK 的工具 javac 进行编译后,会产生 HelloWorld 的字节码。

我们一直在说 Java 字节码是沟通 JVM 与 Java 程序的桥梁,下面使用 javap 来稍微看一下字节码到底长什么样子。

0 getstatic #2 <java/lang/System.out>
3 ldc #3 <Hello World>
5 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
8 return

Java 虚拟机采用基于栈的架构,其指令由操作码和操作数组成。这些字节码指令,就叫作 opcode。其中,getstatic、ldc、invokevirtual、return 等,就是 opcode,可以看到是比较容易理解的。

我们继续使用 hexdump 看一下字节码的二进制内容。与以上字节码对应的二进制,就是下面这几个数字(可以搜索一下)。

b2 00 02 12 03 b6 00 04 b1

我们可以看一下它们的对应关系。

0xb2   getstatic       获取静态字段的值
0x12   ldc             常量池中的常量值入栈
0xb6   invokevirtual   运行时方法绑定调用方法
0xb1   return          void 函数返回

opcode 有一个字节的长度(0~255),意味着指令集的操作码个数不能操作 256 条。而紧跟在 opcode 后面的是被操作数。比如 b2 00 02,就代表了 getstatic #2 <java/lang/System.out>。

JVM 就是靠解析这些 opcode 和操作数来完成程序的执行的。当我们使用 Java 命令运行 .class 文件的时候,实际上就相当于启动了一个 JVM 进程。

然后 JVM 会翻译这些字节码,它有两种执行方式。常见的就是解释执行,将 opcode + 操作数翻译成机器代码;另外一种执行方式就是 JIT,也就是我们常说的即时编译,它会在一定条件下将字节码编译成机器码之后再执行。

这些 .class 文件会被加载、存放到 metaspace 中,等待被调用,这里会有一个类加载器的概念。

而 JVM 的程序运行,都是在栈上完成的,这和其他普通程序的执行是类似的,同样分为堆和栈。比如我们现在运行到了 main 方法,就会给它分配一个栈帧。当退出方法体时,会弹出相应的栈帧。你会发现,大多数字节码指令,就是不断的对栈帧进行操作。

而其他大块数据,是存放在堆上的。Java 在内存划分上会更为细致,关于这些概念,我们会在接下来的课时里进行详细介绍。

最后大家看下面的图,其中 JVM 部分,就是我们课程的要点。

选用的版本

既然 JVM 只是一个虚拟机规范,那肯定有非常多的实现。其中,最流行的要数 Oracle 的 HotSpot。

目前,最新的版本是 Java13(注意最新的LTS版本是11)。学技术当然要学最新的,我们以后的课时就以 13 版本的 Java 为基准,来讲解发生在 JVM 上的那些事儿。

为了完成这个过程,你可以打开浏览器,输入下载网址(https://www.oracle.com/technetwork/java/ javase/downloads/jdk13-downloads-5672538.html)并安装软件。当然你也可以用稍低点的版本,但是有些知识点会有些许差异。相信对于聪明的你来说,这写都不算问题,因为整个 JVM,包括我们的调优,就是在不断试错中完成的。

小结

我们再回头看看上面的三个问题。

  • 为什么 Java 研发系统需要 JVM?

JVM 解释的是类似于汇编语言的字节码,需要一个抽象的运行时环境。同时,这个虚拟环境也需要解决字节码加载、自动垃圾回收、并发等一系列问题。JVM 其实是一个规范,定义了 .class 文件的结构、加载机制、数据存储、运行时栈等诸多内容,最常用的 JVM 实现就是 Hotspot。

  • 对你 JVM 的运行原理了解多少?

JVM 的生命周期是和 Java 程序的运行一样的,当程序运行结束,JVM 实例也跟着消失了。JVM 处于整个体系中的核心位置,关于其具体运行原理,我们在下面的课时中详细介绍。

  • 我们写的 Java 代码到底是如何运行起来的?

一个 Java 程序,首先经过 javac 编译成 .class 文件,然后 JVM 将其加载到`元数据`区,执行引擎将会通过`混合模式`执行这些字节码。执行时,会翻译成操作系统相关的函数。JVM 作为 .class 文件的黑盒存在,输入字节码,调用操作系统函数。

过程如下:Java 文件->编译器>字节码->JVM->机器码。

总结

到这里内容就全部讲完了,今天我们分别从三个角度,了解了 JVM 在 Java 研发体系中的位置,并以一个简单的程序,看了下一个 Java 程序基本的执行过程。

我们所说的 JVM,狭义上指的就 HotSpot。如非特殊说明,我们都以 HotSpot 为准。我们了解到,Java 之所以成为跨平台,就是由于 JVM 的存在。Java 的字节码,是沟通 Java 语言与 JVM 的桥梁,同时也是沟通 JVM 与操作系统的桥梁。

JVM 是一个非常小的集合,我们常说的 Java 运行时环境,就包含 JVM 和一部分基础类库。如果加上我们常用的一些开发工具,就构成了整个 JDK。我们讲解 JVM 就聚焦在字节码的执行上面。

Java 虚拟机采用基于栈的架构,有比较丰富的 opcode。这些字节码可以解释执行,也可以编译成机器码,运行在底层硬件上,可以说 JVM 是一种混合执行的策略。

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处:http://www.mzph.cn/news/65507.shtml

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请联系多彩编程网进行投诉反馈email:809451989@qq.com,一经查实,立即删除!

相关文章

开开心心带你学习MySQL数据库之第三篇上

学校的项目组有必要加入吗? 看你的初心. ~~如果初心是通过这个经历能够提高自己的技术水平 ~~是可以考虑的 ~~如果初心是通过这个经历提高自己找工作的概率 ~~这个是不靠谱的,啥用没有 ~~如果初心是通过这个体验更美好的大学生活 ~~靠谱的 秋招,应届生,找工作是非常容易的!!! …

Java切换到Kotlin,Crash率上升了?

前言 最近对一个Java写的老项目进行了部分重构&#xff0c;测试过程中波澜不惊&#xff0c;顺利上线后几天通过APM平台查看发现Crash率上升了&#xff0c;查看堆栈定位到NPE类型的Crash&#xff0c;大部分发生在Java调用Kotlin的函数里&#xff0c;本篇将会分析具体的场景以及…

【小作文】【信】

【邀请信】【22&#xff0c;1邀请教授参加比赛】 【投诉信】【12,2投诉产品质量问题】

【AWS实验】 配置中转网关及对等连接

文章目录 实验概览目标实验环境任务 1&#xff1a;查看网络拓扑并创建基准任务 2&#xff1a;创建中转网关任务 3&#xff1a;创建中转网关挂载任务 4&#xff1a;创建中转网关路由表任务 4.1&#xff1a;创建路由表关联任务 4.2&#xff1a;创建路由传播 任务 5&#xff1a;更…

SpringWeb(SpringMVC)

目录 SpringWeb介绍 搭建 SpringWeb SpringWeb介绍 Spring Web是一个基于 Servlet API 构建的原始 web 框架&#xff0c;用于构建基于MVC模式的Web应用程序。在 web 层框架历经 Strust1&#xff0c;WebWork&#xff0c;Strust2 等诸多产品的历代更选 之后&#xff0c;目前业界普…

fastadmin think-queue supervisor配置

起因是微信支付回调需要同时做发货处理&#xff0c;但是发货接口不能影响,需要队列进行异步处理1. 1.fastadmin 后台购买queue插件(基于think-queue消息队列) 2.代码 2.1 添加文件&#xff1a;application---->extra--->queue.php 内容&#xff1a;我这里用的数据库做…

Git的基本使用笔记——狂神说

版本控制 版本迭代&#xff0c; 版本控制( Revision control)是一种在开发的过程中用于管理我们对文件、目录或工程等内容的修改历史&#xff0c;方便查看更改历史记录&#xff0c;备份以便恢复以前的版本的软件工程技术。 实现跨区域多人协同开发 追踪和记载一个或者多个文件的…

合宙Air724UG LuatOS-Air LVGL API控件--日历 (Calendar)

日历 (Calendar) LVGL 提供了一个用来选择和显示当前日期的日历控件。 示例代码 – 高亮显示的日期 highlightDate lvgl.calendar_date_t() – 日历点击的回调函数 – 将点击日期设置高亮 function event_handler(obj, event) if event lvgl.EVENT_VALUE_CHANGED then da…

(15)线程的实例认识:同步,异步,并发,并发回调,事件,异步线程,UI线程

参看&#xff1a;https://www.bilibili.com/video/BV1xA411671D/?spm_id_from333.880.my_history.page.click&vd_source2a0404a7c8f40ef37a32eed32030aa18 下面是net framework版本 一、文件构成 1、界面如下。 (1)同步与异步有什么区别&#xff1f; …

单片机TVS/ESD二极管防护

TVS 瞬态电压抑制二极管Transient Voltage Suppressor ESD 静电释放二极管 Electro-Static discharge 这两种本质上都是二极管。都是利用了二极管正向导通、反向截止的特性。二极管在反向截止截止条件下&#xff0c;如果电压继续增大&#xff0c;将会引发雪崩&#xff0c;使得…

聚合多个电商API接口平台

API接口测试&#xff08;点击免费测试&#xff09; 随着数字化商业时代的到来&#xff0c;API接口已成为电商资源连接利器&#xff0c;也是全球传统互联网企业转型的基础。 2021年 Google Cloud 研究显示&#xff0c;全球互联网企业近3/4的企业持续投入数字化转型&#xff0c…

JVM类的加载过程

加载过程 JVM的类的加载过程分为五个阶段&#xff1a;加载、验证、准备、解析、初始化。 加载   加载阶段就是将编译好的的class文件通过字节流的方式从硬盘或者通过网络加载到JVM虚拟机当中来。&#xff08;我们平时在Idea中书写的代码就是放在磁盘中的&#xff0c;也可以通…

什么是RTC

参考&#xff1a; https://zhuanlan.zhihu.com/p/377100294 RTC&#xff08;Real time communication&#xff09;实时通信&#xff0c;是实时音视频的一个简称&#xff0c;我们常说的RTC技术一般指的是WebRTC技术&#xff0c;已经被 W3C 和 IETF 发布为正式标准。由于几乎所…

精品基于SpringCloud实现的电影院购票系统设计-微服务-分布式

《[含文档PPT源码等]精品基于SpringCloud实现的电影院购票系统设计的设计与实现-微服务-分布式》该项目含有源码、文档、PPT、配套开发软件、软件安装教程、项目发布教程等 软件开发环境及开发工具&#xff1a; 开发语言&#xff1a;Java 框架&#xff1a;springcloud JDK版…

Docker 网络模式

文章目录 一、Docker 网络实现原理1.容器的端口映射 二、Docker的网络模式1.Host模式2.Container模式3.none模式4.bridge模式 三、自定义网络1、查看网络模式列表2、查看容器信息(包含配置、环境、网关、挂载、cmd等等信息&#xff09;3、指定分配容器IP地址 面试题 一、Docker…

shiro550漏洞分析

准备工作 启动该项目 可以看到没有登录时候&#xff0c;cookie中没有rememberme字段 登录时候 当账号密码输入正确时候 登录后存在该字段 shiro特征&#xff1a; 未登陆的情况下&#xff0c;请求包的cookie中没有rememberMe字段&#xff0c;返回包set-Cookie⾥也没有del…

美创科技一体化智能化公共数据平台数据安全建设实践

公共数据是当今政府数字化转型的关键要素和未来价值释放的核心锚点&#xff0c;也是“网络强国”、“数字中国”的战略性资源。 作为数字化改革先行省份&#xff0c;近年来&#xff0c;浙江省以一体化智能化公共数据平台作为数字化改革的支撑总平台&#xff0c;实现了全省公共数…

2022年12月 C/C++(六级)真题解析#中国电子学会#全国青少年软件编程等级考试

C/C++编程(1~8级)全部真题・点这里 第1题:区间合并 给定 n 个闭区间 [ai; bi],其中i=1,2,…,n。任意两个相邻或相交的闭区间可以合并为一个闭区间。例如,[1;2] 和 [2;3] 可以合并为 [1;3],[1;3] 和 [2;4] 可以合并为 [1;4],但是[1;2] 和 [3;4] 不可以合并。 我们的任务是…

数据结构(Java实现)-反射、枚举以及lambda表达式

Java的反射&#xff08;reflection&#xff09;机制是在运行状态中&#xff0c;对于任意一个类&#xff0c;都能够知道这个类的所有属性和方法&#xff1b;对于任意一个对象&#xff0c;都能够调用它的任意方法和属性&#xff0c;既然能拿到那么&#xff0c;我们就可以修改部分…

java对时间序列每x秒进行分组

问题&#xff1a;将一个时间序列每5秒分一组&#xff0c;返回嵌套的list&#xff1b; 原理&#xff1a;int除int会得到一个int&#xff08;也就是损失精度&#xff09; 输入&#xff1a;排序后的list&#xff0c;每几秒分组值 private static List<List<Long>> get…