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Java代码有很多种不同的运行方式。比如说可以在开发工具中运行，可以双击执行jar文件运行，也可以在命令行中运行，甚至可以在网页。
这些执行方式都离不开JRE，Java运行时环境。

JRE仅包含运行Java程序的必需组件，包括Java虚拟机以及Java核心类库等。我们Java程序员经常接触到的JDK（Java开发工具包）同样包含了JRE，并且还附带了一系列开发、诊断工具。

然而，运行C++代码则无需额外的运行时。往往把这些代码直接编译成CPU所能理解的代码格式，即机器码。

比如下图的中间列，就是用C语言写的Helloworld程序的编译结果。
C程序编译而成的机器码就是一个个的字节，它们是给机器读的。那为让开发人员也能理解，用反汇编器将其转换成汇编代码（如下图的最右列所示）。

; 最左列是偏移；中间列是给机器读的机器码；最右列是给人读的汇编代码
0x00:  55                    push   rbp
0x01:  48 89 e5              mov    rbp,rsp
0x04:  48 83 ec 10           sub    rsp,0x10
0x08:  48 8d 3d 3b 00 00 00  lea    rdi,[rip+0x3b] 
                                    ; 加载"Hello, World!n"
0x0f:  c7 45 fc 00 00 00 00  mov    DWORD PTR [rbp-0x4],0x0
0x16:  b0 00                 mov    al,0x0
0x18:  e8 0d 00 00 00        call   0x12
                                    ; 调用printf方法
0x1d:  31 c9                 xor    ecx,ecx
0x1f:  89 45 f8              mov    DWORD PTR [rbp-0x8],eax
0x22:  89 c8                 mov    eax,ecx
0x24:  48 83 c4 10           add    rsp,0x10
0x28:  5d                    pop    rbp
0x29:  c3                    ret

为什么Java要在虚拟机里运行？

Java作为一门高级程序语言，它的语法非常复杂，抽象程度也很高。因此，直接在硬件上运行这种复杂的程序并不现实。所以呢，在运行Java程序之前，需要对其进行一番转换。

转换怎么操作

设计一个面向Java语言特性的虚拟机，并通过编译器将Java程序转换成该虚拟机所能识别的指令序列，即Java字节码。
之所以这么取名，是因为Java字节码指令的操作码（opcode）被固定为一个字节。

下图的中间列，正是用Java写的Helloworld程序编译而成的字节码。可以看到，它与C版本的编译结果一样，都是由一个个字节组成的。
同样可以将其反汇编为人类可读的代码格式（如下图的最右列所示）。
Java版本的编译结果相对精简一些，Java虚拟机相对于物理机而言，抽象程度更高。

# 最左列是偏移；中间列是给虚拟机读的机器码；最右列是给人读的代码
0x00:  b2 00 02         getstatic java.lang.System.out
0x03:  12 03            ldc "Hello, World!"
0x05:  b6 00 04         invokevirtual java.io.PrintStream.println
0x08:  b1               return

Java虚拟机常见的是在各个现有平台（如Windows_x64、Linux_aarch64）上提供软件实现。一旦一个程序被转换成Java字节码，便可在不同平台上的虚拟机实现里运行，即“一次编写，到处运行”。

虚拟机的另外一个好处是它带来托管环境（Managed Runtime），代替我们处理一些代码中冗长而且容易出错的部分。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。

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。

Java虚拟机具体是怎样运行Java字节码的？

以标准JDK中的HotSpot虚拟机为例，从虚拟机以及底层硬件两个角度，给你讲一讲Java虚拟机具体是怎么运行Java字节码的。

虚拟机视角，执行Java代码首先要将它编译而成的class文件加载到Java虚拟机。
加载后的Java类会被存放于方法区（Method Area）。实际运行时，虚拟机会执行方法区内的代码。

这和段式内存管理中的代码段类似。而且，Java虚拟机同样也在内存中划分出堆和栈来存储运行时数据。

但Java虚拟机会将栈细分为面向Java方法的Java方法栈，面向本地方法（用C++写的native方法）的本地方法栈，以及存放各个线程执行位置的PC寄存器。
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，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、异常返回，Java虚拟机均会弹出当前线程的当前栈帧，并舍弃。

硬件视角，Java字节码无法直接执行。因此，Java虚拟机需要将字节码翻译成机器码。
HotSpot翻译过程有两种形式：

• 解释执行，逐条将字节码翻译成机器码并执行
  无需等待编译
• 即时编译（Just-In-Time compilation，JIT），将一个方法中包含的所有字节码编译成机器码后再执行
  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：
  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。

Java虚拟机的运行效率

HotSpot采用了多种技术来提升启动性能以及峰值性能，即时编译便是其中最重要的技术之一。

即时编译建立在程序符合二八定律，百分之二十的代码占据了百分之八十的计算资源。

• 对占据大部分的不常用的代码，无需耗费时间将其编译成机器码，而是采取解释执行的方式运行
• 对于仅占据小部分的热点代码，我们则可以将其编译成机器码，以达到理想运行速度。

理论即时编译后的Java程序的执行效率，是可能超过C++。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。
虚方法是用来实现多态性。对一个虚方法调用，尽管有很多目标方法，但实际运行过程中，可能只调用其中一个。

这信息可被即时编译器所利用，规避虚方法调用的开销，达到比静态编译的C++程序更高的性能。

为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。

之所以引入多个即时编译器，为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。

总结

在虚拟机中运行，是因为它提供了可移植性。一旦Java代码被编译为Java字节码，便可以在不同平台上的Java虚拟机实现上运行。此外，虚拟机还提供了一个代码托管的环境，代替我们处理部分冗长而且容易出错的事务，例如内存管理。

Java虚拟机将运行时内存区域划分为五个部分，分别为方法区、堆、PC寄存器、Java方法栈和本地方法栈。Java程序编译而成的class文件，需要先加载至方法区中，方能在Java虚拟机中运行。

为了提高运行效率，标准JDK中的HotSpot虚拟机采用的是一种混合执行的策略。

它会解释执行Java字节码，然后会将其中反复执行的热点代码，以方法为单位进行即时编译，翻译成机器码后直接运行在底层硬件之上。

HotSpot装载了多个不同的即时编译器，以便在编译时间和生成代码的执行效率之间做取舍。

参考

• [1]https://en.wikipedia.org/wiki/Java_processor
• [2]https://wiki.openjdk.java.net/display/CodeTools/asmtools