Java代码是怎么运行的？

来来来，运行个"Hello word !“告诉我是怎么运行的？
看似这个很简单的问题，就像1+1=2一样，很是轻蔑，听老师讲当时陈景润研究了好长时间，也有说是罗素证明出来，还有说从来没有证明出来过，但不管怎么样这些由它去吧，运行"Hello word !” 就是麻雀虽小五脏俱全，一个简单流程，包括了所有的，我们继续回归Java是怎么运行的，我个人理解是这样的
编写代码–>JDK编译成字节码–>JVM解析字节码–>机器指令–>输出设备展示。
跟郑老师学习深入拆解JVM中，郑老师的开篇又是一个小故事，幽默但不偏离主题，说到海关问一个教授的问题，来引出对Java是什么运行的提问。
Java有很多种运行方式

在工具中运行
双击jar文件运行
命令的方式运行
甚至在网页中运行

均需满足有JRE的Java运行环境

再说说JRE
JRE(Java Runtime Environment)Java运行环境，包括Java程序的必须组件、Java虚拟机、以及核心类库等。JDK(Java Development Kit)Java开发工具和JRE的区别是，JDK包括JRE，JDK中还有开发、诊断工具，就是JDK包含JRE。

其中还提到的了C++的运行方式，C++是不需要额外的运行时,直接往往把代码直接编译成CPU所理解的代码，也就是机器码，所以C++没有很好的快平台性，Java就有跨平台性，因为JVM搞定了环境系统的差异。

几个为什么

为什么 Java 要在虚拟机中运行呢?
Java 虚拟机具体又是怎样运行 Java 代码的呢?
它的运行效率又如何呢？

Java是门高级语言，语法非常复杂，抽象程度很高，直接在机器上运行肯定是不可能的，运行起来是要过一番转换的。

语言的演变
二进制–>汇编语言–>高级语言

为什么在虚拟机中运行？

怎么转换呢？
Java源文件–>字节码–>在JVM上运行
因为字节码是底层的，是指令的操作码，被固定为一个字节，这也是字节码的由来。

JVM也可以由硬件实现，但更常见的是window、Linux、mac系统上提供软件实现的。这么做的好处是编译成字节码就直接在JVM上运行，也就是我们经常说的"一次编译，到处运行"。

JVM另外的一个好处是它带来了一个托管环境（Managed Runtime），能处理一些冗长容易出错的部分，其中最广为人知的就是内存管理和垃圾回收，这部分催生了一波垃圾回收调优的业务。嘿嘿，没有伤害就没有买卖。

托管环境还提供了诸如，数据越界、动态类型、安全权限等等的动态检测，使得我们免于书写这些无关的业务逻辑代码。都封装好了，我们只管用就好了，这让我想起来超市的模式，超市就是托管模式，商贩们提供卖东西的服务，就是正常的方法，其他的经营由超市管理人员来管理，商贩拿个摊位费。感觉就是编写代码的人，只管买卖东西，啥垃圾清扫啥的不需要顾客问，费用包含在商品里了，比喻虽然不恰当，但有相似之处。

咱不熟悉X86咱也不明白这个如果你熟悉 X86 的话，你会发现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。
Java 虚拟机还将栈细分为面向Java方法的Java方法栈，面向本地方法的本地方法栈（用C++ 写的native方法），存放线程执行位置信息的地方是PC寄存器，寄存器是存放指令集的数据。
Java虚拟机结构
在运行过程中，每当调用进入一个Java方法，虚拟机会在当前线程的Java方法栈中生成一个栈帧，用于存局部变量以及字节码的操作数，这个栈帧的大小是提前分配好的，而且Java虚拟机不要求栈帧在内存空间连续分布。

Java 虚拟机具体又是怎样运行 Java 代码的呢?

退出执行方法
不论正常返回，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。
字节码执行
Java字节码是无法直接执行，Java虚拟机需要将字节码翻译成机器码。
怎么编译？
以HotSpot为例

解释执行，即逐条将字节码翻译成机器码并执行；
即时编译(Just-In-Time compilation ,JIT)，将一个方法总包含字节码编译成机器码后再执行。

两者的差别对比，前者的优势在于无需等待编译，而后者的优势在于速度更快。HotSpot默认采用的是混合编译的模式，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，然后复制执行热点代码，以方法为单位进行即时编译。优点中西合璧的感觉，取其精华去其糟粕。

Java虚拟机的运行效率怎么样？

HotSpot采用多种技术来提升启动性能以及峰值性能，即时编译就是其中一种提升性能的方式。
二八定律也可以称为帕累托法则，事物的主要结果只取决于一小部分因素，这里也试用，20%的代码，占据了80%的计算资源。对大部分不常用的代码使用解释执行的方式进行，对于仅占据小部分热点的热点代码可以采用编译成机器码，以达到理想的运行速度。

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。据说交易系统的实现和编写都是使用C++，相对的C++速度较快，但最近出现了GoLang，据说很多大厂都将Java代码的功能使用Go进行重构，作为Java程序员心里老慌了，但学好JVM进行优化，我们将代码优化，可能依然是Go取代不了的。

虚拟方法居然是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。这点是之前从来没有接触过的，听君一席话胜读十年书的感觉油然而生。

HotSpot内置编译器

C1 Client编译器，面向的是对启动性能有要求的客户端GUI程序，采用的优化手段简单，编译时间较短
C2 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
Graal Java 10中正式引入的实验性即时编译器

从Java 7开始，HotSpot默认采用分层编译方式：热点方法首先会被C1编译，而后的热点方法中的热点会进一步的被C2编译。

这编译来编译去的，影响正常应用程序运行吗？HotSpot的即时编译是放在额外的编译线程中进行的，这当然不影响应用进程。HotSpot会根据CPU的数量设置编译线程的数目，并按照1：2的比例给到C1和C2编译器。
如果计算资源充足，字节码解释执行和即时编译同时进行，编译后的机器码会在下次调用该方法时启用，来替换原来的解释行。

总结

java的运行经过几个阶段，编译、运行，运行在虚拟机上的优点是"一次编译，导出运行"，的便捷性，虚拟机不仅提供字节码的运行环境和提供代码托管的环境，处理一些冗长且容易报错的事务，内存管理等。
Java虚拟机分为5个区，方法区、堆、PC寄存器、Java方法栈、本地方法栈，class字节码文件首先加载到虚拟机的方法区，才能在JVM中运行。

为了执行效率，HotSpot采用的混合执行的策略，首先采用的解释执行的方式，后续热点代码将采用即时编译进行以方法为单位的。

此文章为 4 月 Day18 学习笔记，内容来源于极客时间链接: 《深入拆解 Java 虚拟机》如果想学Java虚拟机的强烈推荐该课程！