Java虛擬機（JVM）是一個運行時環境，可以執行用Java編程語言編寫的程序。Java語言是一種高級語言，它通過抽象和封裝的機制，讓開發者可以專注于業務邏輯和功能實現，而不用關心底層的細節。因此，運行/開發Java程序時，不必深入了解Java程序的執行過程或JVM的內部原理。對于大多數開發者來說，JVM就像一個神奇的盒子，能夠幫助他們實現功能和完成任務。

但是，了解JVM是如何支持Java語言和其他相關語言的，對于程序員來說是很有裨益的！

本文分享一下Java的工作原理和JVM的內部結構。

1. Java虛擬機

Java虛擬機（JVM）是一個抽象的機器，用來執行一種代碼，即bytecode。你可以把它看作是我們的代碼和計算機硬件之間的橋梁，它把我們的代碼作為輸入，轉換成字節碼并在計算機硬件上運行它，從而實現開發者預期的結果。

2. 字節碼 （bytecode）

字節碼是一種JVM能夠理解的文件類型。它是通過compilingJava代碼（使用javac）生成的一種Java程序的中間表示形式。它之所以叫字節碼，是因為每個操作碼（operation）都是單字節大小的。字節碼可以再次編譯成機器碼并在計算機上運行。

3. 編譯

運行Java程序的第一步是編譯。如果你有一個單獨的Java文件，你可以使用提供的命令行工具javac來觸發編譯。

javac HelloWorld.java

上面代碼會把一個給定的Java文件編譯成.class文件，其中包含bytecode。如果源代碼有錯誤，編譯會失敗并報出編譯錯誤。

你可以使用提供的工具javap來查看已創建的類文件，以了解類文件的內部情況。

javap HelloWorld.class

4. 執行

在通過編譯創建了.class文件之后，可以使用java語法來啟動一個JVM的實例，它會觸發一個包含多個復雜步驟的執行路徑，最終執行我們提供的代碼。

java HelloWorld

首先JVM需要獲取.class文件，并將它加載到JVM的內存區域中。這個初始過程是通過JVM類加載器來實現的。

5. 什么是類加載？

抽象地說，類加載就是掃描并遍歷提供的.class文件，并將類文件中的內容加載到JVM的內存區域中。然后，執行引擎就可以引用這些存儲的數據，繼續執行我們的代碼。

JVM中有三種類型的類加載器，分別是：

• 引導類加載器
• 擴展類加載器
• 應用類加載器

引導類加載器的職責是加載基礎/核心的Java類，這些類對于Java程序運行是必不可少的。在早期的Java版本中，這些核心類被包含在位于jre/lib目錄下的rt.jar文件中，但在后來的Java版本中，rt.jar中的內容被分割成模塊化的組件。

擴展類加載器的職責是加載lib/ext目錄下的類，這些類可能包括我們在代碼中使用的任何擴展。

應用類加載器是三種中最常用的一種，它負責加載用戶定義的類。它會掃描我們程序的類路徑，并加載其中的類。

6. 類加載過程

類加載過程有兩個主要步驟：

• 加載
• 鏈接

7. 加載

在加載過程中，類加載器讀取類文件的二進制表示形式，即.class文件，并在JVM的運行時內存中創建它的表示。這個表示稱為Class Object，它位于JVM內存的方法區中。

8. 鏈接

在加載過程之后，開始鏈接。鏈接有三個步驟。

• 驗證 — 確保類文件的正確性。驗證類是否符合Java規范。
• 準備 — 為靜態塊/字段分配內存，并為靜態變量賦予默認值（不是初始值！）。
• 解析 — 解析類文件中的（符號）引用。

解析：

在鏈接的解析階段，類加載器會解析常量池表，這是一個位于.class文件/類對象中的實體，類似于一個符號表，指定了類中的字段/方法/引用。在類文件中，對其他類的引用是以符號方式表示的，沒有具體的內存地址來引用。解析會搜索JVM內存，并為那些符號引用分配具體的引用。如果在.class文件中發現了一個尚未加載的類，它會觸發該類本身的加載/鏈接過程，這可能會導致一個遞歸的加載和鏈接過程。

在字節碼加載和鏈接之后，類就成功地存儲在JVM內存中（將在后面的部分討論），并準備好初始化。

9. 初始化

當代碼中第一次用new關鍵字或靜態字段來引用一個類，或者當程序執行時遇到一個初始化類（比如Main類），則會觸發類文件的初始化。

在初始化階段，執行靜態塊，靜態變量被分配初始值。

10. 運行時內存區域

在上面的段落中，多次提到了將類文件數據存儲在JVM內存中。這些數據究竟存儲在哪里，來作為加載/鏈接/初始化的結果？答案是運行時內存區域。

JVM運行時內存區域是指定的內存空間，它被劃分為多個部分，用于存儲執行相關/類文件相關的數據。

運行時內存區的主要區域如下：

(1) 方法區

方法區是運行時內存的一部分，用于存儲與類文件相關的數據。運行時常量池、字段元數據、類元數據、方法元數據和字節碼本身等都存儲在方法區中。

(2) 程序計數器（PC）

程序計數器是一個小的內存區域，用于存儲當前正在執行的操作的地址，這是Java程序執行的必要信息。每個線程都有自己的PC。

(3) 堆

存儲所有的類/數組實例，是所有線程共享的一塊內存。

(4) JVM棧

保存局部變量和部分結果。包含棧幀。每個線程都有自己的JVM棧。

11. 棧幀

當一個方法被調用時，在棧中創建一個新的幀。它會存儲與該方法相關的局部變量和部分結果。如果在該方法內部調用了另一個方法，就會為新調用的方法創建一個新的棧幀。在給定線程中，一次只有一個幀是活動的。

12. 執行

在上面的部分中，簡要地介紹了Java源代碼是如何編譯并加載到JVM運行時內存區域中的。

接下來看看這些數據是如何執行的。

這部分過程是通過JVM的執行引擎來實現的，它由兩個主要部分組成：（執行引擎還包括許多其他組件，但在本文中不會提及。）

• 解釋器
• JIT（即時）編譯器

“Java作為一種編程語言，是一種混合的解釋和編譯語言，也就是說Java代碼既要經過編譯，又要經過解釋。簡單來說，當類文件開始運行時，JVM會先用解釋器直接執行字節碼，不需要編譯。這樣做的主要好處是可以提高啟動速度和執行速度（不用等待編譯過程）。

在解釋的過程中，JVM會發現代碼中的熱點和熱區，也就是經常執行或者可以優化的代碼段。這些代碼段會被JIT編譯器編譯成本地代碼，然后執行引擎會從解釋模式切換到執行模式。”

這個編譯過程有多個層次，稱為分層編譯。