Java 面试系列:Java 程序是如何执行的

了解任何一门语言的精髓都是先俯览其全貌,从宏观的视角把握全局,然后再深入每个知识点逐个击破,这样就可以深入而快速的掌握一项技能。同样学习 Java 也是如此,本节就让我们先从整体来看一下 Java 中的精髓。

Java 介绍

Java 诞生于 1991 年,Java 的前身叫做 Oak(橡树),但在注册商标的时候,发现这个名字已经被人注册了,后来团队的人就在咖啡馆讨论这件事该怎么办,有人灵机一动说叫 Java 如何,因为当时他们正在喝着一款叫做 Java 的咖啡。就这样,这个后来家喻户晓的名字,竟以这种“随意”的方式诞生了,并一直沿用至今。

Java 发展历程:

  • 1990,Sun 成立了“Green Team”项目小组
  • 1991,Java 语言前身 Oak(橡树)诞生
  • 1995,Oak 语言更名为 Java
  • 1996,Java 1.0 发布
  • 1997,Java 1.1 发布
  • 1998,Java 1.2 发布
  • 2000,Java 1.3 发布
  • 2000,Java 1.4 发布
  • 2004,Java 5 发布
  • 2006,Java 6 发布
  • 2011,Java 7 发布
  • 2014,Java 8 发布
  • 2017,Java 9(非长期支持版)发布
  • 2018.03,Java 10(非长期支持版) 发布
  • 2018.09,Java 11(长期支持版)发布
  • 2019.03, Java 12(非长期支持版) 发布

注:长期支持版指的是官方发布版本后的一段时间内,通常以“年”为计数单位,会对此版本进行持续维护和升级。

版本发布时间

Java 10 之后,官方表示每半年推出一个大版本,长期支持版本(LTS)每三年发布一次。

Java 和 JDK 的关系

JDK(Java Development Kit)Java 开发工具包,它包括:编译器、Java 运行环境(JRE,Java Runtime Environment)、JVM(Java 虚拟机)监控和诊断工具等,而 Java 则表示一种开发语言。

Java 程序是怎么执行的?

我们日常的工作中都使用开发工具(IntelliJ IDEA 或 Eclipse 等)可以很方便的调试程序,或者是通过打包工具把项目打包成 jar 包或者 war 包,放入 Tomcat 等 Web 容器中就可以正常运行了,但你有没有想过 Java 程序内部是如何执行的?

其实不论是在开发工具中运行还是在 Tomcat 中运行,Java 程序的执行流程基本都是相同的,它的执行流程如下:

  1. 先把 Java 代码编译成字节码,也就是把 .java 类型的文件编译成 .class 类型的文件。这个过程的大致执行流程:Java 源代码 -> 词法分析器 -> 语法分析器 -> 语义分析器 -> 字节码生成器 -> 最终生成字节码,其中任何一个节点执行失败就会造成编译失败;
  2. 把 class 文件放置到 Java 虚拟机,这个虚拟机通常指的是 Oracle 官方自带的 Hotspot JVM;
  3. Java 虚拟机使用类加载器(Class Loader)装载 class 文件;
  4. 类加载完成之后,会进行字节码校验,字节码校验通过之后 JVM 解释器会把字节码翻译成机器码交由操作系统执行。但不是所有代码都是解释执行的,JVM 对此做了优化,比如,以 Hotspot 虚拟机来说,它本身提供了 JIT(Just In Time)也就是我们通常所说的动态编译器,它能够在运行时将热点代码编译为机器码,这个时候字节码就变成了编译执行。

Java 程序执行流程图如下:

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Java 虚拟机是如何判定热点代码的?

Java 虚拟机判定热点代码的方式有两种:

  • 基于采样的热点判定

主要是虚拟机会周期性的检查各个线程的栈顶,若某个或某些方法经常出现在栈顶,那这个方法就是“热点方法”。这种判定方式的优点是实现简单;缺点是很难精确一个方法的热度,容易受到线程阻塞或外界因素的影响。

  • 基于计数器的热点判定

主要就是虚拟机给每一个方法甚至代码块建立了一个计数器,统计方法的执行次数,超过一定的阀值则标记为此方法为热点方法。

Hotspot 虚拟机使用的基于计数器的热点探测方法。它使用了两类计数器:方法调用计数器和回边计数器,当到达一定的阀值是就会触发 JIT 编译。

方法调用计数器:在 client 模式下的阀值是 1500 次,Server 是 10000 次,可以通过虚拟机参数: -XX:CompileThreshold=N 对其进行设置。但是JVM还存在热度衰减,时间段内调用方法的次数较少,计数器就减小。

回边计数器:主要统计的是方法中循环体代码执行的次数。

由上面的知识我们可以看出,要想做到对 Java 了如指掌,必须要好好学习 Java 虚拟机,那除了 Java 虚拟机外,还有哪些知识是面试必考,也是 Java 工程师必须掌握的知识呢?

1. Java 基础中的核心内容

字符串和字符串常量池的深入理解、Array 的操作和排序算法、深克隆和浅克隆、各种 IO 操作、反射和动态代理(JDK 自身动态代理和 CGLIB)等。

2. 集合

集合和 String 是编程中最常用的数据类型,关于集合的知识也是面试备考的内容,它包含:链表(LinkedList)、TreeSet、栈(Stack)、队列(双端、阻塞、非阻塞队列、延迟队列)、HashMap、TreeMap 等,它们的使用和底层存储数据结构都是热门的面试内容。

3. 多线程

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