Java 很多不同运行方式，但 都离不开JRE ，Java 运行环境。

• 开发工具运行
• 双击执行Jar 文件运行
• 命令行运行
• 网页中运行

JRE : 包含必要组件，Java虚拟机，Java 核心类库。
JDK ： Java 开发工具包，包含JRE ，附带一系列开发、诊断工具

Java 执行系统主流实现以及设计决策

C++ 可以直接编译成机器码运行，Java为什么还需要虚拟机中运行呢？

• Java 是高级程序语言，语法非常复杂，抽象度很高，执行在硬件运行复杂的程序不现实，所以运行之前需要转换

转换设计思路：

设计面向 java 语言特性的虚拟机，并通过编译器将Java 程序转换成该虚拟机能识别的 指令序列。就是Java 字节码。
取名来历： 因为Java 字节码 指令的操码 （opcode） 被固定位一个字节。

• Java 虚拟机可以由硬件实现，但更多是软件实现，一旦程序被转换成Java 字节码，便可以在不同平台虚拟机里面运行，我们说的 一次编写，到处运行。

• 带来了一个托管环境，能代替我们处理一些代码冗长而且容易出错的部分。
  其中当属自动内存管理，与 垃圾回收。
  除此之外，托管环境还提供诸如数组越界、动态类型、安全权限等动态监测，免于书写这些业务无关的逻辑代码。

Java虚拟机具体怎么运行的java 代码？

以标准JDK 中的 HotSpot 虚拟机为例，从虚拟机以及底层硬件两个角度，讲Java 虚拟机具体是怎么运行Java 字节码的。

• 虚拟机 视角

1. 执行Java 代码，要将它编译而成的Class 文件加载到Java 虚拟机中。

2. 加载后Java 类会存放在 方法去（Method Area） 中。实际运行时，虚拟机会执行方法区内的代码。

3. Java 虚拟机在内存中划分出堆和栈来存储运行时的数据。
   将栈细分为Java方法的Java方法栈，和面向本地方法（用C++ 写的native）的本地方法栈。
   以及存放各个线程执行位置的PC 寄存器。

image.png

4. 运行过程中，每当调用一个Java 方法，Java 虚拟机会在当前线程的Java 方法栈中生成一个栈帧，用以存放局部变量以及字节码操作数。
   栈帧大小提前计算好的，虚拟机不要钱栈帧在内存工具里连续分布。

5. 当退出当前执行方法时，不管正常返回还是异常返回，虚拟机均会弹出当前线程的当前栈帧，并将其舍弃。

• 从硬件 视角

1. Java 字节码无法直接执行，Java 虚拟机需要将字节码翻译成机器码。
   在Hotspot 里面，翻译过程有两种形式：
   第一种：解释执行，即逐条将字节码翻译成机器码并执行。
   第二种：即时编译（Just-In-Time compilation ，JIT） ，将一个方法中包含的所有字节码贬义词机器码后再执行。

前者优势在于无需等待编译，而后者优势在于实际运行速度更快。

Hotspot 默认采用混合模式，综合解释执行和即时编译的优点。 会先解释执行字节码，而后将其中反复执行的热点代码，以方法为单位进行即时编译。

image.png

运行效率如何？

Hotspot 采用了多种技术提升启动性能以及峰值性能，即时编译是其中最重要的技术之一。

• 即时编译 建立在程序符合二八定律的假设上，就是20%代码占据了80%的计算资源。
  80%不常用的代码，需要耗费时间将其编译成机器码，采取解释执行方式运行。

• 理论上 即时编译后 Java 程序的执行效率 可能超过 c++ 程序的，
  因为，与静态编译相比，即时编译拥有程序的运行时信息，并能根据信息作出相应的优化。

举例，虚方法用来实现对象多态性的，一个虚方法调用，尽管很多目标方法，但实际运行过程可能只调用其中一个，这个信息被即时编译利用，来规避虚方法调用开销，从而达到比静态编译的C++ 程序更高的性能。

如何规避的？是把所有目标方法提前全部即时编译?

• 为了满足不同用户场景需要Hotspot 内置了多个即时编译器，C1 C2 和Graal。
  引入多个即时编译器，
  为了编译时间和生成代码的执行效率进行取舍。

• C1: Client 编译器 ，面向的是对启动性能有要求的客户端GUI 程序，采用的优化手段相对简单，所以编译时间较短。
  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。

Java 7 开始分层编译，热点方法首先C1 编译，然后热点方法中的热点会进一步被C2编译

• 为了不干扰应用的正常运行，Hotspot即时编译是放在额外的编译线程中进行的。
  Hotspot根据CPU 的数量设置编译线程的数目，并且按1:2 的比例配置给 C1 及 C2 编译器。

• 在计算资源充足的情况下，字节码解释执行和即时编译同时进行，编译完成后机器码会在下次调用该方法时启用，以替换原本的解释执行。

作业：思考Java语言 和Java虚拟机看到Boolean类型的方式是否不同。

$ echo '
public class Foo {
 public static void main(String[] args) {
  boolean flag = true;
  if (flag) System.out.println("Hello, Java!");
  if (flag == true) System.out.println("Hello, JVM!");
 }
}' > Foo.java
$ javac Foo.java
$ java Foo
$ java -cp /path/to/asmtools.jar org.openjdk.asmtools.jdis.Main Foo.class > Foo.jasm.1
$ awk 'NR==1,/iconst_1/{sub(/iconst_1/, "iconst_2")} 1' Foo.jasm.1 > Foo.jasm
$ java -cp /path/to/asmtools.jar org.openjdk.asmtools.jasm.Main Foo.jasm
$ java Foo

----------------------- 解释 ----------------------------
jvm把boolean当做int来处理

flag = iconst_1 = true

awk把stackframe中的flag改为iconst_2

if（flag）比较时ifeq指令做是否为零判断，常数2仍为true，打印输出

if（true == flag）比较时if_cmpne做整数比较，iconst_1是否等于flag，比较失败，不再打印输出

精彩评论：

• 解释执行 执行时才翻译成机器指令，无需保存不占内存。但即时编译类似预编译，编译之后的指令需要保存在内存中，这种方式吃内存，按照二八原则这种混合模式最恰当的，热点代码编译之后放入内存避免重复编译，而其他运行次数较少代码则解释执行，避免占用过多内存

• 为什么不把代码全部编译成机器码？

问得好！事实上JVM确实有考虑做AOT (ahead of time compilation) 这种事情。AOT能够在线下将Java字节码编译成机器码，主要是用来解决启动性能不好的问题。

对于这种发布频率不频繁(也就是长时间运行吧？)的程序，其实选择线下编译和即时编译都一样，因为至多一两个小时后该即时编译的都已经编译完成了。另外，即时编译器因为有程序的运行时信息，优化效果更好，也就是说峰值性能更好。

• 热点代码区别

看到有人说热点代码的区别，在git里面涉及到的热点代码有两种算法，
基于采样的热点探测和基于计数器的热点探测。
一般采用的都是基于计数器的热点探测，两者的优缺点百度一下就知道了。
基于计数器的热点探测又有两个计数器：
方法调用计数器，回边计数器，他们在C1和C2又有不同的阈值。😂😂

• 什么时候使用C1，什么时候使用C2，他是怎么区分热点方法的呢？

作者回复: 刚刚看到一个同学总结了。JVM会统计每个方法被调用了多少次，超过多少次，那就是热点方法。(还有个循环回边计数器，用来编译热循环的。)

默认的分层编译应该是达到两千调C1，达到一万五调C2。

• 栈帧

老师，那个pc寄存器，本地方法栈，以及方法栈，java方法栈这三个组成的就是我们常统称的栈吧，然后也叫栈帧？

作者回复: JVM里的栈指的应该是Java方法栈和本地方法栈。每个方法调用会在栈上划出一块作为栈帧(stack frame)。栈是由多个栈帧构成的，就好比电影是由一个个帧构成的。

• 为啥是"理论"上比cpp快...这样看起来 如果都编译成机器码了 应该就是挺快的呀... 那干啥不像Go一样 直接编译成目标平台的机器码... 咋感觉绕了一圈..

作者回复: 因为实际上会插入一些虚拟机相关的代码，稍微拉低了运行效率。

至于为什么不采用直接编译的方法，在峰值性能差不多的这个前提下，线下编译和即时编译就是两种选项，各有优缺点。JVM这样做，主要也是看重字节码的可移植性，而牺牲了启动性能。

另外呢，现代工程语言实现都是抄来抄去的。JVM也引入了AOT编译，在线下将Java代码编译成可链接库。

• 老师，问一下这个asmtools是做什么用的

作者回复: 就是Java字节码的反汇编器和汇编器。

• 解释执行是将字节码翻译为机器码，JIT也是将字节码翻译为机器码，为什么JIT就比解释执行要快这么多？
  如果说JIT检测到是热点代码并且进行优化，那么为什么解释执行不直接就用这种优化去解释字节码？
  一些比较浅的问题，希望老师能指点一二

作者回复: 1. 就单条加法字节码而言，解释执行器需要识别字节码，然后将两个操作数从Java方法栈上读取出来并相加，最后将结果存入Java方法栈中。而JIT生成的机器码就只是一个CPU加法指令。

2. 因为JIT比较费时。如果字节码需要JIT后才跑，那么启动性能会很糟糕

• 对于占据大部分的不常用的代码，我们无需耗费时间将其编译成机器码，而是采取解释执行的方式运行；
  这是否意味着不常用的代码的多次调用就要多次进行解释执行

作者回复: 调用到一定次数就会触发即时编译的

• 对不起，听了29篇文章了，至今不太清楚hotspot和openjdk两者之间的关系。

作者回复: HotSpot是JVM里的引擎，可以理解为JDK中用C++写的部分。Oracle JDK/OpenJDK包括HotSpot。

• 搞不懂，没有讲清楚堆栈到底如何共享？有些文章说栈数据共享，但又说每个线程都会有一个堆栈，那堆栈的数据还如何共享？还有堆有时候说数据不共享，但又说线程间数据共享？这老师能解答一下吗？

作者回复: 线程各自的栈空间是不共享的，但可以通过堆空间来共享数据。如果只有一个线程知道某个数据存放在堆的哪个位置，那也相当于不共享。注意不是等同于不共享，因为其它线程可以扫描整个堆，来找到这个位置。

• 方法区是不是属于堆的一部分？

作者回复: 不属于。JVM中的堆是用来存放Java对象的。

-老师你好，我有个地方还是想不通，为什么java采用一次编译，到处运行的这种方式，而不是C++的不同平台都进行编译， java这样设计 加了中间层 反而执行效率降低，那这种设计的初衷是什么呢？

作者回复: 个人感觉应该是静态编译的各种语言中C++比较突出，一次编译到处运行的各种语言中Java比较典型。

你可以用LLVM把C++编译成bitcode到处运行，也可以用AOT把Java编译成机器码。只不过不是那么”流行”

-老师，即时编译是啥算法？编译哪些代码？何时编译完成？为啥我每次压测启动后，top命令查看，同样的代码编译线程工作时长不太一样？

作者回复: 即时编译就是一个编译器，里面有很多不同的优化，对应不同的算法。触发即时编译用的是JVM维护的统计方法调用次数的计数器。编译时间取决于编译器自己的效率。由于程序的不确定性，在多线程环境下即时编译器干的活可能多可能少。