java程序的執行過程詳解

Java程序運行時，必須經過編譯和運行兩個步驟。首先將后綴名為.java的源文件進行編譯，最終生成后綴名為.class的字節碼文件。然后Java虛擬機將編譯好的字節碼文件加載到內存（這個過程被稱為類加載，是由加載器完成的），然后虛擬機針對加載到內存的java類進行解釋執行，顯示結果。

Java的運行原理

在Java中引入了虛擬機的概念，即在機器和編譯程序之間加入了一層抽象的虛擬的機器。這臺虛擬的機器在任何平臺上都提供給編譯程序一個的共同的接口。編譯程序只需要面向虛擬機，生成虛擬機能夠理解的代碼，然后由解釋器來將虛擬機代碼轉換為特定系統的機器碼執行。在Java中，這種供虛擬機理解的代碼叫做字節碼（ByteCode），它不面向任何特定的處理器，只面向虛擬機。每一種平臺的解釋器是不同的，但是實現的虛擬機是相同的。Java源程序經過編譯器編譯后變成字節碼，字節碼由虛擬機解釋執行，虛擬機將每一條要執行的字節碼送給解釋器，解釋器將其翻譯成特定機器上的機器碼，然后在特定的機器上運行。

Java代碼編譯和執行的整個過程

Java代碼編譯是由Java源碼編譯器來完成，流程圖如下所示：

Java字節碼的執行是由JVM執行引擎來完成，流程圖如下所示：

Java代碼編譯和執行的整個過程包含了以下三個重要的機制：

Java源碼編譯機制

類加載機制

類執行機制

Java源碼編譯機制

Java 源碼編譯由以下三個過程組成：（javac –verbose 輸出有關編譯器正在執行的操作的消息）

分析和輸入到符號表

注解處理

語義分析和生成class文件

最后生成的class文件由以下部分組成：

1、結構信息。包括class文件格式版本號及各部分的數量與大小的信息

2、元數據。對應于Java源碼中聲明與常量的信息。包含類/繼承的超類/實現的接口的聲明信息、域與方法聲明信息和常量池

3、方法信息。對應Java源碼中語句和表達式對應的信息。包含字節碼、異常處理器表、求值棧與局部變量區大小、求值棧的類型記錄、調試符號信息

類加載機制

JVM的類加載是通過ClassLoader及其子類來完成的，類的層次關系和加載順序可以由下圖來描述：

1）Bootstrap ClassLoader /啟動類加載器

$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar里所有的class，由C++實現，不是ClassLoader子類

2）Extension ClassLoader/擴展類加載器

負責加載java平臺中擴展功能的一些jar包，包括$JAVA_HOME中jre/lib/*.jar或-Djava.ext.dirs指定目錄下的jar包

3）App ClassLoader/ 系統類加載器

負責記載classpath中指定的jar包及目錄中class

4）Custom ClassLoader/用戶自定義類加載器（java.lang.ClassLoader的子類）

屬于應用程序根據自身需要自定義的ClassLoader，如tomcat、jboss都會根據j2ee規范自行實現ClassLoader

加載過程中會先檢查類是否被已加載，檢查順序是自底向上，從Custom ClassLoader到BootStrap ClassLoader逐層檢查，只要某個classloader已加載就視為已加載此類，保證此類只所有ClassLoader加載一次。而加載的順序是自頂向下，也就是由上層來逐層嘗試加載此類。

類加載雙親委派機制介紹和分析

在這里，需要著重說明的是，JVM在加載類時默認采用的是雙親委派機制。通俗的講，就是某個特定的類加載器在接到加載類的請求時，首先將加載任務委托給父類加載器，依次遞歸，如果父類加載器可以完成類加載任務，就成功返回；只有父類加載器無法完成此加載任務時，才自己去加載。

類執行機制

JVM是基于棧的體系結構來執行class字節碼的。線程創建后，都會產生程序計數器（PC）和棧（Stack），程序計數器存放下一條要執行的指令在方法內的偏移量，棧中存放一個個棧幀，每個棧幀對應著每個方法的每次調用，而棧幀又是有局部變量區和操作數棧兩部分組成，局部變量區用于存放方法中的局部變量和參數，操作數棧中用于存放方法執行過程中產生的中間結果。