Java 程序是如何运行起来的
简单介绍一下 Java 程序的运行流程和内存分析。
0 Java 简介
首先简单介绍一下 Java 的历史与 Java 的核心机制。
Java 的历史
Java 最初产生于 SUN 公司的 “Green” 小组，该小组由 James Gosling 领导，最初的名字叫 Oak，在发现该名称已被注册之后，改名为 java。从 1996 年 1 月到现在，Java 经历了不断的演变。1999 年 6 月，Java 体系被分为三个方向：J2ME（微型版，移动端）、J2SE（桌面版，桌面端） 和 J2EE（企业版，服务端）。如今 JavaSE 的长期支持版（LTS）已经发展到了 11 版。
Java 的核心机制
Java 的两个基本的核心机制分别是 Java 虚拟机（JVM）和 Java 的垃圾回收器（GC）：
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JVM 可以理解为一个可运行 Java 字节码的虚拟计算机系统。正是 JVM 的存在使得 Java 语言具有了跨平台的特性，因为所有的 Java 原码都会被首先编译成 Java 字节码文件，从而交给 JVM 处理，而不直接与具体的操作系统通信。所以，对于不同的平台，有对应的不同的 JVM 来实现代码与平台的分离，从而实现了所谓的“一次编译，到处执行”。
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Java 中的 GC 负责自动回收 JVM 中不再使用的内存空间。GC 的垃圾回收工作不需要由外部干预，从而消除了程序员回收无用内存的责任（在C/C++ 中这个工作是需要程序员负责考虑的）。GC 是 JVM 提供的一种系统线程跟踪存储空间的分配情况，当 JVM 处于空闲时，它会检查并释放掉那些可以被释放的存储空间。GC 是无法被精准控制和干预的，在 Java 程序运行的过程中它是自主启动并运行的。
1 JDK、JRE和JVM之间的关系
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JDK：Java Development Kit，Java 开发工具包 - 开发人员进行 Java 软件开发测试的一套工具
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JRE：Java Runtime Environment，Java 运行时环境 - Java 软件成品运行所依赖的环境
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JVM：Java Virtual Machine，Java 虚拟机 - Java 语言实现跨平台运行的一种软件
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三者的关系是：JDK包含JRE，JRE包含JVM，像下图这样。
2 Java 编译与运行过程
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java程序的运行包括两个非常重要的阶段：编译阶段 和 运行阶段。它们的大致过程如下图。
![]()
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编译：
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java 源文件通过 JDK 中的编译器 javac 通过的编译，编译操作方式如下：
javac -encoding 编码方式 -d 输出为字节码文件的路径 代码(相对)路径。如：
javac -encoding utf8 -d ../out/ ./src/*.java，它表示以utf-8格式编码./src/路径下的所有 Java 源文件，生成的字节码文件放到上一级目录的out/路径下。 -
编译阶段的主要任务是检查 java 源程序语法，符合 java 语法规则能正常生成 字节码文件 xxx.class。字节码文件是只有 JVM 才能理解的文件，通过 JVM 解释为不同操作系统的可执行二进制机器码。字节码文件是程序最终执行需要的文件，而不是 java 源文件。字节码文件可以拷贝到任何操作系统中运行，实现跨平台的效果。
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一个 java 源文件可以生成多个字节码文件，每个字节码文件对应源文件中定义的一个类；
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运行：
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使用JDK自带的执行工具/命令(java.exe)运行程序：
java 包名.类名。如：
java com.somedomain.util.DataMonitor，包名实际上已目录结构的形式存在，并且通常以反向域名的方式形成多级目录结构，比如这里对应的目录结构为./com/somedomain/util/，最后跟类名DataMonitor，它必须是在指定包内（目录结构下）存在的可运行字节码文件（类中包含作为程序入口的public static void main()方法）。 -
运行阶段过程：
java.exe 启动 JVM，JVM启动类加载器(ClassLoader)，类加载器在硬盘上搜索对应的字节码文件，将其装载到 JVM 当中，JVM 将字节码文件解释成二进制数据，操作系统执行二进制和底层硬件平台进行交互，完成相应程序效果。
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3 程序运行过程的内存分析
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JVM 内存空间主要分为三块（还有其他空间）：方法区内存、堆内存、栈内存
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方法片段属于字节码文件的一部分，字节码文件在类加载时，将其放到了方法区中。所以，JVM中的三块主要内存空间中最先有数据的是方法区内存，其中存放了代码片段。代码片段在方法区内存中只有一份，可以被重复使用。
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方法只有在被调用时才会被动态地分配所属空间。每次调用都需要为该方法在栈内存中分配独立的运行空间，此时发生压栈动作。方法执行结束后，对应的内存空间会全部释放，此时发生弹栈动作。下面是示例代码和方法执行过程的内存变化图。
public class UserTest {
public static void main(String[] args) {
int i = 10;
add(i); // 传递i中的字面值10
System.out.println("value of i in main() is " + i); // 10
}
public static void add(int i) {
i++;
System.out.println("value of i in add() is " + i); // 11
}
}
传递字面值
- 运行阶段在方法体中声明的局部变量，在栈内存中为其分配空间。而局部变量的参数传递实际上是传递的参数地址中所存的内容，这个内容可以是字面值，也可以是对象地址 。
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字面值传递中，接收方参数(等号左边)的值被修改，而传递方参数(等号右边)的值不受影响。
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对象地址的传递中，由于两个参数保存的内容指向同一对象地址，因此两方的操作指向同一片内存空间。下面是相应示例代码和方法执行过程的内存变化图。
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public class UserTest {
public static void main(String[] args) {
User u = new User("Tomas", 56);
System.out.println(u.name+"'s age before add() is "+u.age); // 1
add(u); // 传递u的内存地址
System.out.println(u.name+"'s age after add() is "+u.age); // 10
}
public static void add(User u) {
u.age ++;
System.out.println(u.name+"'s age within add() is "+u.age);
}
}
class User {
String name;
int age;
public User(String n, int a) {
name = n;
age = a;
}
}
传递对象地址
浙公网安备 33010602011771号