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前言
在 Java 開發中，我們經常會提到 JVM。我們知道 JVM 是 Java 虛擬機，但是它的運行原理是什么？它的內存結構是什么？如何進行優化？如何去定位問題？面試中遇到 JVM 問題如何回答？
接下來我會開啟 JVM 的章節，為大家一一解答上面的問題。現在就開啟我們的 JVM 學習之路吧！
什么是 JVM？
面試官：什么是 JVM？
小李：JVM（Java Virtual Machine）是 Java 虛擬機，用於運行 Java 編譯后的二進制字節碼，最后生成機器指令。（心里一想，簡簡單單）
面試官：那為什么 Java 研發體系需要 JVM？你對 JVM 的運行原理了解多少？我們寫的 Java 代碼到底是如何運行起來的？
小李：嗯。。。就是。。。嗯。。。是那個。。。嗯。。。
面試官：面試就到這里了，先回去等通知吧。
小李：好的！（哭着回答）
這里面試官對小李進行三連問：
- 為什么 Java 研發體系需要 JVM？
- 你對 JVM 的運行原理了解多少？
- 我們寫的 Java 代碼到底是如何運行起來的？
這套組合拳看似很厲害，其實就是軍體拳。
如果想完美的練這套軍體拳，不，是完美的回答這三個問題，就需要首先要了解 JVM 是什么？它和 Java 是什么關系？又和 JDK 有什么淵源？那要弄清楚這些問題，就需要從三個維度去思考：
- JVM 和操作系統的關系；
- JVM 、JRE、JDK 的關系；
- Java 虛擬機規范和 Java 語言規范的關系。
弄清楚這這幾者的關系，我們再通過一個簡單代碼示例來看一個 Java 程序到底是如何執行的。
JVM 和 操作系統的關系
我們知道煉制一把牛逼的大寶劍，不僅需要上等的技術，還需要一鼎經百煉的劍爐。而工程師就相當於鑄劍的劍師，JVM 便是劍爐。
JVM 就是我們耳熟能詳的 Java 虛擬機。它能識別 .class 后綴文件，並且能夠解析它的指令，最終調用操作系統上的函數，完成我們想要的操作。
Java 程序和 C++ 程序有什么不同呢？這里用兩張圖進行說明。
對比兩張圖可以看到 C++ 開發的程序可以翻譯成操作系統能識別的 .exe 文件。而 Java 程序需要通過 javac 編譯成 .class 文件之后，然后由 JVM 負責調用系統函數執行程序，操作系統並不認識 .class 文件。
那讀者就勸小李了，轉 C++ 開發吧，這 Java 還搞了一個處於程序和操作系統的虛擬機，不像 C++ 編譯后直接在操作系統上運行，肯定不是啥好玩意。
我就知道你們壞的很，知道 JVM 的過人之處，還不告訴小李。那我給小李講講 JVM 的過人之處：
Java 是一門抽象度特別高的語言，提供了自動內存管理等一系列的特性。這些特性在操作系統上基本上是無望了，所以就需要 JVM 進行一番轉換。
經過上面的介紹，我們可以做如下的類比：
- JVM：等同於操作系統；
- Java 字節碼：等同於匯編語言。
Java 字節碼還是比較容易讀懂，從側面上也證明了 Java 語言的抽象程度高。我們可以認為 JVM 是一個翻譯器，會持續不斷的翻譯執行 Java 字節碼，然后調用真正的操作系統函數，這些操作系統函數是與平台息息相關的。
可以把 JVM 想象一個有道詞典，.class 文件是英文，而輸出的結果是中文。有道詞典有 windows版本，也有 Linux 版本，內部具體的實現肯定不同，但最終都會得到相同的結果，這樣就好理解一些了）
當有個 JVM 這個抽象層，就可以實現跨平台了。JVM 只需要正確執行 .class 文件，就可以運行在 Linux、Windos、MacOS 等平台了。
Java 跨平台的意義在於一次編譯，處處運行，這里 JVM 功不可沒。比如在 Maven 倉庫下載的 jar 包就可以到處運行，不需要在每個平台上再編譯一次。
我們來概括 JVM 與操作系統之間的關系：
JVM 上承開發語言，下接操作系統，它的中間接口就是字節碼。
JVM、JRE、JDK 的關系
通過上面的學習，我們了解到 JVM 是 Java 程序能夠運行的核心。但是我們要知道，JVM 自己什么也干不了，你需要給它提供原料（.class 文件）。俗話說：巧婦難為無米之炊。JVM 功能雖然強大，但還是需要為它提供 .class 文件。
但是僅靠 JVM 是無法完成一次編譯，到處運行的。它需要一個基本的類庫，比如怎么操作文件、怎么連接網絡、怎么教你出拳（小李已瘋）等。而 Java 體系會一次性將 JVM 運行所需的類庫都傳遞給它。JVM 標准加上基本類庫就組成了 Java 的運行環境，就是 JRE （Java Runtime Enviroment）
JVM + 基本類庫 = JRE
那 JDK 又是什么呢？
JDK 全稱 Java Development Kit，Kit 是裝備的意思。所以 JDK 不僅包含 JRE，還有一些小工具，比如 javac、java、jar等。
JRE + javac/java/jar 等指令工具 = JDK
JVM、JRE、JDK 它們三者之間的關系，可以用一個包含關系表示。
- JDK > JRE > JVM
Java 虛擬機規范和 Java 語言規范的關系
從廣義上來講，JVM 是一種規范，它是最為官方、准確的文檔；狹義上來講，由於我們使用 Hotspot 更多一些，所以我們在談到這個概念時，會將他們等同起來。
如果再加我們平常使用的 Java 語言，可以得到下面一張圖。
左邊是 Java 虛擬機規范，為字節碼的解析提供一個環境。右邊是 Java 語法規范，比如 switch、for、泛型、lambda 等相關的程序，最終都會編譯成字節碼。而字節碼是鏈接左右兩部分的橋梁。
如果 .class 文件的規格是不變的，這兩部分是可以獨立進行優化的。But 沒有如果，現在都已經到 Java 13 了，為了支持更多的特性，肯定會增加一些字節碼指令。
此刻優秀的小李提出了一個讓人深思的問題：
如果我不學習 JVM，會影響我寫 Java 代碼么？
理論上，這兩者沒有必然的聯系。他們之間通過 .class 文件進行交互，即使你不了解 JVM，也能夠寫大多數的 Java 代碼。就像你是寫 C++ 代碼一樣，並不需要特別深入的了解操作系統的底層是如何實現的。
那我還學個錘子！瞬間關了該頁面。
客官別走，還有但是沒說呢。
但是，如果你想要寫一些比較精巧、效率比較高的代碼，就需要了解一些執行層面的知識了。了解 JVM，主要用在調優以及故障排查上面，你會對運行中的各種資源分配，有一個比較全面的掌控。（是不是內心還有點小期待呢！）
Java 代碼到底是如何運行起來的
最后，我們簡單看一下 Java 程序的執行過程，了解下它到底是如何運行起來的。
這里的 Java 程序是文本格式的。比如下面這段 HelloXiaoli.java，它遵循的就是 Java 語言規范。其中，我們調用的 System.out 等模塊，就是 JRE 提供的類庫。
通過 JDK 的工具 javac 進行編譯后，就會產生 HelloWorld 的字節碼。
1javac HelloXiaoli.java
Java 字節碼是溝通 JVM 和 Java 程序的橋梁，下面使用 javap 來看一下字節碼到底長什么樣子。javap基本使用
javap -verbose HelloXiaoli.class
0 getstatic #2 <java/lang/System.out>
3 ldc #3 <Hello Xiaoli>
5 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
8 return
Java 虛擬機采用基於棧的架構（為什么基於棧的架構詳見：JVM 體系結構與工作方式），其指令由操作碼和操作數組成。這些字節碼指令，就叫做 opcode。其中，getstatic、ldc、invokeevirtual、return 等，就是 opcode。
我們繼續使用 hexdump 看一下字節碼的二進制內容hexdump 命令
b2 00 02 12 03 b6 00 04 b1
我們可以看一下它們的對應關系。JVM 字節碼對照表
0xb2 getstatic 獲取靜態字段的值
0x12 ldc 常量池中的常量值入棧
0xb6 invokevirtual 運行時方法綁定調用方法
0xb1 return void 函數返回
opcode 是一個字節的長度（0~255），意味着指令集的操作碼個數不能超過 256 條。緊跟在 opcode 后面的是被操作數。比如 b2 00 02，就代表了 getstatic #2 。
JVM 就是靠解析這些 opcode 和 操作數來完成程序的執行的，當我們使用 Java 命令運行 .class 文件的時候，實際上就相當於啟動了一個 JVM 進程。
JVM 會翻譯這些字節碼，它有兩種執行方式：
- 解釋執行，將 opcode + 操作數翻譯成機器代碼；
- JIT，即時編譯，它會在一定條件下將字節碼翻譯成機器碼之后再執行。
.class 文件會被加載、存放到 metaspace 中，等待被調用，這里會有一個類加載器的概念。
JVM 的程序運行，都是在棧上完成的，這和其他普通程序的執行是類似的，分為堆和棧。比如我們程序運行到了 main 方法，就會給它分配一個棧幀。當推出方法體時，會彈出相應的棧幀。其實，大多數字節碼指令，就是不斷的對棧幀進行操作。
而其它大塊數據，是存放在堆上的。Java 在內存划分上會更為細致，關於這些概念，會在后面的章節中詳細介紹。
我們看下面的圖，JVM 部分是我們系列需要講解的部分。
小結
上面講了這么多，讓我們再回頭看看面試官提問的三個問題。
- 為什么 Java 研發系統需要 JVM？
因為 Java 是一門抽象的語言，並且有自動內存管理機制。而操作系統無法去進行自動垃圾回收等操作，所以就有了虛擬機。虛擬機可以對字節碼加載、自動垃圾回收、並發等。而 JVM 只是一個規范，定義了 .class 文件的結構、加載機制、數據存儲、運行時棧等諸多內容，最常用的 JVM 實現就是 Hotspot。
- 你對 JVM 的運行原理了解多少？
JVM 的生命周期是和 Java 程序的運行一樣，當程序運行結束，JVM 實例也就跟着消失了。具體的運行原理，會在后續文章中詳細介紹，請關注小李哦！
- 我們寫的 Java 代碼到底是如何運行起來的？
Java 程序通過 javac 編譯成 .class 文件，然后虛擬機將其加載到元數據區，執行引擎將會通過混合模式執行這些字節碼。執行時，會翻譯成操作系統相關的函數。
過程如下：Java 文件->編譯器->字節碼->JVM->機器碼
總結
本篇文章從三個角度了解了 JVM 在 Java 研發體系中的位置，並以一個簡單的程序，看了下一個 Java 程序的執行過程。
我們說的 JVM，狹義上指的就是 HotSpot。如果沒有特殊說明，我們都以 HotSpot 為准。
我們知道 Java 之所以跨平台，就是由於 JVM 的存在。Java 的字節碼，是溝通 Java 語言與 JVM 的橋梁，同時也是溝通 JVM 與操作系統的橋梁。
JVM 是一個非常小的集合，我們常說的 Java 運行時環境，也就是 JRE 包含 JVM 和一部分基礎類庫。如果加上我們常用的一些開發工具，就構成了整個 JDK。
Java 虛擬機棧采用基於棧的架構，有比較豐富的 opcode。這些字節碼可以解釋執行，也可以編譯成機器碼，運行在底層硬件上，可以說 JVM 是一種混合執行的策略。
留兩道思考題給大家：
- 棧上都會有哪些數據？
- 垃圾回收會發生在什么地方？
思考題我會在后面的章節為大家一一解答。
參考
http://pc-shop.xiaoe-tech.com/appcCrwMYBx6232/video_details?id=v_5e14662379d00_UAifIZpt
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