「Java 路线」| 为什么 Java 实现了平台无关性?

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前言

从最初学习Java开始，我们就知道Java的口号是：“一次编写，到处运行”。没有了平台的束缚，使得我们再编写Java时并不需要（那么）关心将来运行程序的平台。
那么，Java是如何实现 平台无关性的呢？今天我们来讨论这个问题。

# 咬文嚼字 #

为什么是“不需要（那么）关心”，而不是“不需要关心”？因为在工程实践中，不全面考量运行程序的系统 / 网络 / 硬件 / 国家等因素是不可能的。

1. 运行环境 = 操作系统 + 硬件

首先，理解清楚什么是平台？平台是指程序的运行平台，或者称为运行环境，具体来说：运行环境 = 操作系统 + 硬件（主要是CPU）：

1.1 操作系统屏蔽了除 CPU 外的硬件差异

操作系统（Operating System）是管理计算机硬件与软件资源的程序。对于现代应用程序来说，它们是不会直接操作硬件的，而是采用向操作系统发送指令的方式来间接控制硬件，这些指令就是系统调用。

系统调用是操作系统与应用程序之间的接口（Application Programming Interface，API）。然而不同操作系统提供的 API 是不同的，这样的话，程序调用 API 的代码也会因操作系统不同而不同，因此操作系统是运行环境的要素之一。

应用通过系统调用间接控制硬件

1.2 CPU 只能运行本地代码

每种CPU只能“读懂”自身支持的机器语言或者本地代码（native code），而每种CPU使用的指令集不尽相同。因此，任何高级编程语言 / 汇编语言编写的程序，最后都需要“翻译”为CPU能够读懂的本地代码。

本地代码是 CPU 唯一的语言

下面，我们对比C/C++ & Java两种语言是使用什么方式将源代码转换为本地代码的。

2. C/C++ 如何将源代码转换为本地代码

步骤1：编译生成目标文件（编译时）
步骤2：链接生成可执行文件（编译时 or 运行时）

3. Java 如何将源代码转换为本地代码

步骤1：编译前端生成 Class文件（编译时）
步骤2：编译后端解释或编译为本地代码（编译时 or 运行时）

关于 Java 编译过程 的更多介绍，请阅读文章：《Java | 聊一聊编译过程（编译前端 & 编译后端）》

4. Java 虚拟机的公有协议与私有实现

Java 虚拟机的协议 指的是《Java 虚拟机规范》，它规定了 Java 虚拟机的概念模型；
Java 虚拟机实现 是指各种平台上具体的虚拟机实现，例如 Classic VM、HotSpot VM；

在这个概念模型下，不同的虚拟机实现有统一的输入输出模型：

所有虚拟机实现的输入与输出都是一致的：输入为Class 文件，处理过程是字节码解释执行的等效过程，最终输出的是预期的执行结果。这样的方式即保证了不同平台不同实现的虚拟机行为一致，也提高了伸缩性。不同平台的虚拟机实现可以根据具体平台特点，赋予虚拟机实现更多的特点：更高的性能 or 更低的内存消耗。

关于 Class 文件 的更多介绍，请阅读文章：《Java | 请概述一下 Class 文件的结构》

5. 总结

虚拟机与字节码是Java实现无关性的基础。首先，与不同于C/C++，Java将程序存储格式从本地代码转变为字节码；其次，不同平台的虚拟机都统一采样字节码作为输入语言，并统一遵守《Java 虚拟机规范》，最终提供了一个不依赖于特定操作系统 & 硬件的运行环境，即平台无关性。

虚拟机提供了统一的运行环境

参考资料

《程序是怎样跑起来的》（第7、8章）—— 矢泽久雄
《深入理解Java虚拟机（第3版本）》（第6、7、8章）—— 周志明
《深入理解Android：Java虚拟机ART》（第2章） —— 邓凡平

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