Java程序執行過程及內存機制

本講將介紹Java代碼是如何一步步運行起來的，其中涉及的編譯器，類加載器，字節碼校驗器，解釋器和JIT編譯器在整個過程中是發揮着怎樣的作用。此外還會介紹Java程序所占用的內存是被如何管理的：堆、棧和方法區都各自負責存儲哪些內容。最后用一小塊代碼示例來幫助理解Java程序運行時內存的變化。

Java程序執行過程

• 步驟 1： 寫源代碼，源代碼將以.java的文件格式保存在電腦硬盤中。
• 步驟 2： 編譯器（compiler）檢查是否存在編譯期錯誤（例如缺少分號，關鍵字拼寫錯誤等）。若通過檢測，編譯器就會將源代碼翻譯成字節碼（bytecode），以.class的文件格式保存在電腦硬盤中。
• 步驟 3： 若要運行此Java程序，JVM中會有一個叫類加載器（class loader）的內置程序把字節碼從硬盤載入到正位於內存中的JVM里去。
• 步驟 4： JVM中還有一個叫字節碼校驗器（bytecode verifier）的內置程序檢測是否存在運行期錯誤（例如棧溢出）。若通過檢測，字節碼校驗器就會將字節碼傳遞給解釋器（interpreter）。
• 步驟 5： 解釋器會對字節碼進行逐行翻譯，將其翻譯成當前所在系統可以理解的機器碼（machine code），
• 步驟 6：將機器碼交給操作系統，操作系統會以main方法作為入口開始執行程序。至此，一個Java程序就這樣運行起來了。

細心的讀者可能注意到了，在流程圖中還涉及到一個叫JIT的東西在步驟中沒有被解釋。那么JIT編譯器（Just-In-Time Compiler）是如果參與進程序的執行過程中呢？讓我們來看以下兩個例子。

• 情況 1： 解釋器對代碼進行逐行解釋，正如我們在步驟中所介紹的。
• 情況 2： 這是JIT編譯器參與進Java執行過程的情況，JIT編譯器會掃描所有代碼並對其進行優化。例如此時它發現最后一行代碼是重復多余的，就會將其移除，只傳遞前4行代碼給解釋器。這樣解釋器就能運行地更快速高效，畢竟少了一行多余的代碼需要翻譯。

當然，這只是JIT編譯器的優化手段之一，不同公司設計的JIT編譯器對Java程序的運行會有不同的優化方式。此外需要知道的是，JIT編譯器並不是每次都會參與到執行過程中來。

內存機制

在步驟3中我們談到字節碼會被類加載器載入到內存，那么載入之后JVM是如何對其進行內存管理的呢？

通常，在載入內存后，一個Java程序所占用的內存會被大致分為3塊區域：堆（heap），棧（stack）和方法區（method area）。

堆：存放new出來的東西。

棧：存放局部變量。

方法區：類型信息，字段信息，常量池（constant pool），靜態變量，方法信息等。

public final class Student extends Object implements Serializable { // 1.類信息
    // 2.對象字段信息
    private String name;
    private int score;
 
    // 3.常量池
    public final int id = 0;
    public final String gender = "male";
  
    // 4.靜態變量
    public static int a = 0;
    
    // 5.方法信息
    public int getid() {
        return id;
    }
}

PC寄存器：存放將要執行的指令的地址。（因為機器的腦子不靈活，所以需要一塊專門的區域幫他記住執行到哪一步，不然它會忘記）

本地方法棧：與JVM棧所發揮的作用是非常相似的，其區別不過是JVM棧為Java方法服務，而本地方法棧則是為使用到的Native方法服務。有的虛擬機（例如Sun HotSpot虛擬機）甚至直接就把本地方法棧和虛擬機棧合二為一。

每個線程擁有各自獨立的（虛擬機）棧、PC寄存器和本地方法棧。而堆和方法區則是所有線程共享的。

最后讓我們通過一個小例子來理解Java程序執行時內存的變化。

public class Person {
    int id;
    int age;
  
    Person(int id1, int age1) {
        id = id1;
        age = age1;
    }
  
    public static void main(String[] args) {
        Person Tom = new Person(1, 25);
    }
}

首先，式子的左側Person tom代表：在stack中申請了一塊內存，這塊內存區域名字叫Tom，此時區域里存儲的內容undefined（注意：不是null）。

接着，式子的右側new Person：通過new關鍵字，就會在heap中new出一個對象，連帶着對象中的成員變量一塊構建好，並賦予它們默認值，如0，0。

接着會自動調用Person的構造方法，為什么叫構造方法呢，因為它是用來幫助我們構造一個對象的。在構造方法中，完成對成員變量的賦值。

但別忘了，構造方法是有參數的，在Java里，方法的參數屬於局部變量，因此在stack中有兩塊區域分別存放id1和age1。

最后，將這個對象的引用值（類似於地址）傳遞給Tom，通過引用值我們就可以找到這個對象。

（注意：位於stack中的id1和age1會隨着構造方法調用的結束而消失，這里為了更好地表現全過程，因此保留在圖中。）

關於棧和堆的其他小知識

• 棧和堆的大小都是固定為一個默認值的，它們作為jvm的參數設定好了，不同的jvm設定的參數不同，相應的棧和堆的大小也就不同。
• 棧是運行時的單位：里面存儲的信息都是跟當前線程相關的，包括局部變量、程序運行狀態、方法返回值等；而堆是存儲的單位：它只負責存儲對象。
• 當一個方法調用結束后，方法里的局部變量會隨之消失，不會在stack中繼續占用空間。
• 棧與堆的分離使得不同線程可以訪問同一個對象，這是一種有效的數據交互方式（共享內存）；此外也節省了空間，因為堆中的共享常量和緩存可以被所有棧訪問。

參考

1. https://simplesnippets.tech/execution-process-of-java-program-in-detail-working-of-just-it-time-compiler-jit-in-detail/
2. https://blog.csdn.net/yfqnihao/article/details/8289363
3. https://www.zhihu.com/question/29833675

 
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