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java基础-Java程序编译和运行的过程

java基础-Java程序编译和运行的过程

Java程序从源文件创建到程序运行要经过两大步骤:

  1. 源文件由编译器编译成字节码(ByteCode)
  2. 字节码由java虚拟机解释运行.

因为java程序既要编译同时也要经过JVM的解释运行,所以说Java被称为半解释语言( “semi-interpreted” language)。

过程

编译为字节码(.java->.class)

创建完源文件之后,程序会先被编译为字节码文件(.class)文件。

Java编译一个类时,如果这个类所依赖的类还没有被编译,编译器就会先编译这个被依赖的类,然后引用

如果java编译器在指定目录下找不到该类所其依赖的类的.class文件或者.java源文件的话,编译器话报cant find symbol的错误。

字节码文件

编译后的字节码文件格式主要分为两部分:常量池方法字节码

  • 常量池:记录的是代码出现过的所有token(类名,成员变量名等等)以及符号引用(方法引用,成员变量引用等等)
  • 方法字节码:放的是类中各个方法的字节码

.class->机器码

]
JVM 类加载器首先加载字节码文件,然后通过解释器逐行解释执行,这种方式的执行速度会相对比较慢。

而且,有些方法和代码块是经常需要被调用的(也就是所谓的热点代码),所以后面引进了 JIT 编译器,而 JIT 属于运行时编译。

当 JIT 编译器完成第一次编译后,其会将字节码对应的机器码保存下来,下次可以直接使用

JVM
而我们知道,机器码的运行效率肯定是高于 Java 解释器的。这也解释了我们为什么经常会说 Java 是编译与解释共存的语言。

JIT

HotSpot 采用了惰性评估(Lazy Evaluation)的做法,

根据二八定律,消耗大部分系统资源的只有那一小部分的代码(热点代码),而这也就是 JIT 所需要编译的部分。

JVM 会根据代码每次被执行的情况收集信息并相应地做出一些优化,因此执行的次数越多,它的速度就越快。

JDK 9 引入了一种新的编译模式 AOT(Ahead of Time Compilation),它是直接将字节码编译成机器码,这样就避免了 JIT 预热等各方面的开销。JDK 支持分层编译和 AOT 协作使用。

但是 ,AOT 编译器的编译质量是肯定比不上 JIT 编译器的。

Class 文件需要加载到虚拟机中之后才能运行和使用,那么虚拟机是如何加载这些 Class 文件呢?

系统加载 Class 类型的文件主要三步:加载->连接->初始化。连接过程又可分为三步:验证->准备->解析

在这里插入图片描述

加载

在这里插入图片描述

类加载过程的第一步,主要完成下面 3 件事情:

  1. 通过全类名获取定义此类的二进制字节流
  2. 将字节流所代表的静态存储结构转换为方法区的运行时数据结构
  3. 在内存中生成一个代表该类的 Class 对象,作为方法区这些数据的访问入口

虚拟机规范上面这 3 点并不具体,因此是非常灵活的。比如:“通过全类名获取定义此类的二进制字节流” 并没有指明具体从哪里获取、怎样获取。比如:比较常见的就是从 ZIP 包中读取(日后出现的 JAREARWAR 格式的基础)、其他文件生成(典型应用就是 JSP)等等。

一个非数组类的加载阶段(加载阶段获取类的二进制字节流的动作)是可控性最强的阶段,这一步我们可以去完成还可以自定义类加载器去控制字节流的获取方式(重写一个类加载器的 loadClass() 方法)。

数组类型不通过类加载器创建,它由 Java 虚拟机直接创建。

加载阶段和连接阶段的部分内容是交叉进行的,加载阶段尚未结束,连接阶段可能就已经开始了。

连接阶段

验证

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准备

  1. 这时候进行内存分配的仅包括类变量

    类变量( Class Variables ,即静态变量,被 static 关键字修饰的变量,只与类相关,因此被称为类变量),而不包括实例变量。

    实例变量会在对象实例化时随着对象一块分配在 Java 堆中。

  2. 从概念上讲,类变量所使用的内存都应当在 方法区 中进行分配。不过有一点需要注意的是:JDK 7 之前,HotSpot 使用永久代来实现方法区的时候,实现是完全符合这种逻辑概念的。 而在 JDK 7 及之后,HotSpot 已经把原本放在永久代的字符串常量池、静态变量等移动到堆中,这个时候类变量则会随着 Class 对象一起存放在 Java 堆中。相关阅读:《深入理解Java虚拟机(第3版)》勘误#75

  3. 这里所设置的初始值"通常情况"下是数据类型默认的零值(如 0、0L、null、false 等),比如我们定义了public static int value=111 ,那么 value 变量在准备阶段的初始值就是 0 而不是 111(初始化阶段才会赋值)。特殊情况:比如给 value 变量加上了 final 关键字public static final int value=111 ,那么准备阶段 value 的值就被赋值为 111。

基本数据类型的零值 : (图片来自《深入理解 Java 虚拟机》第 3 版 7.33 )
在这里插入图片描述

解析

解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用限定符 7 类符号引用进行。

符号引用就是一组符号来描述目标,可以是任何字面量。直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄。在程序实际运行时,只有符号引用是不够的,举个例子:在程序执行方法时,系统需要明确知道这个方法所在的位置。Java 虚拟机为每个类都准备了一张方法表来存放类中所有的方法。当需要调用一个类的方法的时候,只要知道这个方法在方法表中的偏移量就可以直接调用该方法了。通过解析操作符号引用就可以直接转变为目标方法在类中方法表的位置,从而使得方法可以被调用。

综上,解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程,也就是得到类或者字段、方法在内存中的指针或者偏移量。

初始化

初始化阶段是执行初始化方法 <clinit> ()方法的过程,是类加载的最后一步,这一步 JVM 才开始真正执行类中定义的 Java 程序代码(字节码)。

说明: <clinit> ()方法是编译之后自动生成的。

对于<clinit> () 方法的调用,虚拟机会自己确保其在多线程环境中的安全性。因为 <clinit> () 方法是带锁线程安全,所以在多线程环境下进行类初始化的话可能会引起多个进程阻塞,并且这种阻塞很难被发现。

对于<clinit> () 方法的调用,虚拟机会自己确保其在多线程环境中的安全性。因为 <clinit> () 方法是带锁线程安全,所以在多线程环境下进行类初始化的话可能会引起多个进程阻塞,并且这种阻塞很难被发现。

参考材料
javaGuide
尚硅谷课件图片
Java程序编译和运行的过程


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