01 | Java代码是怎么运行的？

一、为什么 Java 要在虚拟机里运行？

①“一次编写，到处运行”

Java 虚拟机可以由硬件实现，但更为常见的是在各个现有平台（如 Windows_x64、Linux_aarch64）上提供软件实现。这么做的意义在于，一旦一个程序被转换成 Java 字节码，那么它便可以在不同平台上的虚拟机实现里运行。这也就是我们经常说的“一次编写，到处运行”。

②托管环境，提供内存管理、垃圾回收、编译时动态校验等功能

虚拟机的另外一个好处是它带来了一个托管环境（Managed Runtime）。这个托管环境能够代替我们处理一些代码中冗长而且容易出错的部分。其中最广为人知的当属自动内存管理与垃圾回收，这部分内容甚至催生了一波垃圾回收调优的业务。除此之外，托管环境还提供了诸如数组越界、动态类型、安全权限等等的动态检测，使我们免于书写这些无关业务逻辑的代码。

二、Java 虚拟机具体是怎样运行 Java 字节码的？

虚拟机内部结构

线程共享： 方法区、堆； 线程私有： PC寄存器、Java方法栈、本地方法栈

加载步骤

① 加载Java编辑成的class文件到虚拟机，加载好后放到方法区(Method Area) ②执行时需要将字节码翻译成机器码，有【解释执行】和【即时编译】(JIT)两种 ③在运行过程中，每当调用进入一个 Java 方法，Java 虚拟机会在当前线程的 Java 方法栈中生成一个栈帧，用以存放局部变量以及字节码的操作数。这个栈帧的大小是提前计算好的，而且 Java 虚拟机不要求栈帧在内存空间里连续分布。当退出当前执行的方法时，不管是正常返回还是异常返回，Java 虚拟机均会弹出当前线程的当前栈帧，并将之舍弃。

编译过程

在 HotSpot 里面，上述翻译过程有两种形式：第一种是解释执行，即逐条将字节码翻译成机器码并执行；第二种是即时编译（Just-In-Time compilation，JIT），即将一个方法中包含的所有字节码编译成机器码后再执行。

前者的优势在于无需等待编译，而后者的优势在于实际运行速度更快。HotSpot 默认采用混合模式，综合了解释执行和即时编译两者的优点。它会先解释执行字节码，而后将其中反复执行的热点代码，以方法为单位进行即时编译。

三、Java 虚拟机的运行效率究竟是怎么样的？

1.即时编译的好处

理论上讲，即时编译后的 Java 程序的执行效率，是可能超过 C++ 程序的。这是因为与静态编译相比，即时编译拥有程序的运行时信息，并且能够根据这个信息做出相应的优化。举个例子，我们知道虚方法是用来实现面向对象语言多态性的。对于一个虚方法调用，尽管它有很多个目标方法，但在实际运行过程中它可能只调用其中的一个。这个信息便可以被即时编译器所利用，来规避虚方法调用的开销，从而达到比静态编译的 C++ 程序更高的性能。

2.HotSpot的解决方案

为了满足不同用户场景的需要，HotSpot 内置了多个即时编译器：C1、C2 和 Graal。Graal 是 Java 10 正式引入的实验性即时编译器，在专栏的第四部分我会详细介绍，这里暂不做讨论。 之所以引入多个即时编译器，是为了在编译时间和生成代码的执行效率之间进行取舍。 C1 又叫做 Client 编译器，面向的是对启动性能有要求的客户端 GUI 程序，采用的优化手段相对简单，因此编译时间较短。 C2 又叫做 Server 编译器，面向的是对峰值性能有要求的服务器端程序，采用的优化手段相对复杂，因此编译时间较长，但同时生成代码的执行效率较高。 从 Java 7 开始，HotSpot 默认采用分层编译的方式：热点方法首先会被 C1 编译，而后热点方法中的热点会进一步被 C2 编译。 为了不干扰应用的正常运行，HotSpot 的即时编译是放在额外的编译线程中进行的。HotSpot 会根据 CPU 的数量设置编译线程的数目，并且按 1:2 的比例配置给 C1 及 C2 编译器。 在计算资源充足的情况下，字节码的解释执行和即时编译可同时进行。编译完成后的机器码会在下次调用该方法时启用，以替换原本的解释执行。

四、精选问题

1.问题一

问：文中提到虚拟机会把部分热点代码编译成机器码，我有个疑问，为什么不把java代码全部编译成机器码？很多服务端应用发布频率不会太频繁，但是对运行时的性能和吞吐量要求较高。如果发布或启动时多花点时间编译，能够带来运行时的持久性能收益，不是很合适么？

答：问得好！事实上JVM确实有考虑做AOT (ahead of time compilation) 这种事情。AOT能够在线下将Java字节码编译成机器码，主要是用来解决启动性能不好的问题。

对于这种发布频率不频繁(也就是长时间运行吧？)的程序，其实选择线下编译和即时编译都一样，因为至多一两个小时后该即时编译的都已经编译完成了。另外，即时编译器因为有程序的运行时信息，优化效果更好，也就是说峰值性能更好。

2.问题二

问：理论上讲，即时编译后的 Java 程序的执行效率，是可能超过 C++ 程序的。 我们导师当时是这么解释的，c是所有CPU指令集的交集，而jit可以根据当前的CPU进行优化，调用交集之外的CPU指令集，往往这部分指令集效率很高。 作者如何看待这句话？

答：这句话不准确。现代编译器一般都分为平台无关的前端和平台相关的后端。如果你要生成某个平台的代码，编译器会选择相应的后端。因此，无论是C编译器还是JIT编译器，都是基于目标CPU的指令集来做优化的。

3.问题三

问：JIT程序重启之后还需要再来一遍吗？ 答：程序关闭后，即时编译的结果就没了，因此需要再来一遍

4.问题四

问：我想问下，JVM是怎么区别出热点代码和非热点代码的？ 答：使用“热点探测”技术统计的，HotSpot VM使用的是基于计数器的热点探测，可参考：https://mp.weixin.qq.com/s/GO2fAeGgaB2jIC02gWp5Aw