JVM 工作原理和即时编译（JIT）

目录

1、什么是虚拟机？

2、JVM 虚拟机简介

3、JVM 的工作原理

4、什么是即时编译（JIT）？

5、解释型语言和编译型语言的区别

6、为什么说 Java 是一种半编译半解释的语言？

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1、什么是虚拟机？

        虚拟机是一种运行在操作系统之上的软件程序，它模拟了一台计算机的硬件环境和操作系统功能，从而可以在其上运行应用程序。虚拟机的本质是在硬件层面和操作系统层面之上添加了一个抽象层，通过这个抽象层，应用程序可以直接在虚拟机上运行，而不需要关心底层硬件和操作系统的细节。

        虚拟机有多种类型，包括：

1. 操作系统级虚拟化：通过虚拟化技术将一台物理计算机分割成多个虚拟的计算机，每个虚拟计算机都运行着自己的操作系统和应用程序，互不干扰。
2. 应用程序虚拟机：它是一种特殊的虚拟机，用于运行特定类型的应用程序，如 Java 虚拟机（JVM）用于运行 Java 应用程序，.NET 虚拟机用于运行 .NET 应用程序。
3. 模拟器：它可以模拟一台完整的计算机系统，包括硬件和操作系统，可以运行任何类型的应用程序。

        虚拟机的优点在于它可以实现跨平台和隔离性。跨平台是指应用程序可以在不同的操作系统和硬件平台上运行，而不需要重新编写或修改代码；隔离性是指虚拟机可以将应用程序隔离开来，从而提高应用程序的安全性和可靠性。虚拟机在云计算、虚拟化和容器化等领域都得到广泛的应用。

2、JVM 虚拟机简介

        JVM（Java Virtual Machine，Java 虚拟机）是一个能够运行 Java 字节码的虚拟机，它是 Java 平台的核心组件之一。JVM 是跨平台的，可以在不同的操作系统上运行相同的 Java 应用程序，因为它提供了一个统一的运行环境。在运行 Java 应用程序时，首先需要将 Java 源代码编译成字节码，然后将字节码交给 JVM 执行。

        JVM 主要由三部分组成：类加载器、运行时数据区和执行引擎。// JVM学习蓝图

        （1）类加载器

        类加载器是 JVM 的一个重要组成部分，它的主要作用是将字节码加载到 JVM 中并生成对应的类。类加载器按照层次结构进行组织，每个类加载器都有一个父类加载器，最顶层的类加载器是引导类加载器（Bootstrap ClassLoader），它是用本地代码实现的，主要负责加载 Java 核心类库。其他类加载器包括扩展类加载器（Extension ClassLoader）和应用程序类加载器（Application ClassLoader）。// 双亲委派机制

        （2）运行时数据区

        运行时数据区是 JVM 运行时的内存区域，它包括以下几个部分：

• 程序计数器（Program Counter Register）：保存了当前线程执行的字节码指令地址。
• Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）：保存了线程执行方法的局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。
• 本地方法栈（Native Method Stack）：保存了本地方法执行的信息。
• Java 堆（Java Heap）：保存了对象实例和数组等动态分配的内存。

        （3）执行引擎

        执行引擎是 JVM 的核心组件之一，它的主要作用是执行字节码指令。执行引擎包括解释器和即时编译器（Just-In-Time Compiler，JIT）。解释器是将字节码指令解释为机器码逐条执行的方式，执行速度较慢；而 JIT 编译器是将字节码指令编译为本地机器码后再执行，执行速度更快。

        JVM 还包括垃圾回收器、安全性管理器等组件，它们都是 JVM 的重要组成部分。JVM 为 Java 提供了跨平台、安全、高效的运行环境，是 Java 平台的核心技术之一。

3、JVM 的工作原理

       JVM（Java虚拟机）是Java应用程序的运行环境，它的主要任务是将Java字节码解释或编译成机器指令，然后在计算机上运行。JVM的工作原理可以分为三个步骤：加载、解释/编译和执行。

1. 加载：当Java应用程序启动时，JVM会加载应用程序所需的类和资源文件。类加载器会从本地文件系统、网络或其他位置加载类文件，然后将类文件存储在JVM的内存中。加载过程包括三个步骤：加载、连接和初始化。加载是指从磁盘读取字节码文件并将其存储在内存中；连接包括验证、准备和解析三个步骤，验证是确保字节码文件符合Java虚拟机规范的过程，准备是为类的静态变量分配内存并设置初始值，解析是将符号引用转换成直接引用的过程；初始化是为静态变量赋予正确的初始值，以及执行静态代码块中的语句。

2. 解释/编译：JVM将Java字节码解释成机器指令，然后交给计算机处理。在解释过程中，JVM会逐条执行字节码指令，将其转换成机器指令，并将结果存储在堆栈中。解释是一种解释执行方式，速度较慢。JVM还可以使用即时编译（JIT）技术将字节码编译成本地代码，然后执行本地代码。编译可以提高程序的执行速度。

3. 执行：执行是指将机器指令交给计算机处理的过程，计算机根据指令执行相应的操作。执行过程中，JVM会管理内存、线程、异常等方面的问题，以确保应用程序正常运行。

        总的来说，JVM的工作原理是将Java字节码加载到内存中，然后解释或编译成机器指令，最后交给计算机处理。JVM还负责管理内存、线程和异常等问题，以确保Java应用程序的正常运行。

        // 弄懂了JVM工作原理的每个详细步骤，也就弄懂了JVM虚拟机，后续的学习过程，无非就是解剖每个过程中的细节。

4、什么是即时编译（JIT）？

        即时编译（Just-In-Time Compilation，JIT）是一种在程序运行时动态编译字节码为机器码的技术，可以显著提高 Java 程序的性能。下面对 JIT 技术进行详细解释：

        Java 程序运行的基本流程：Java 程序是先编译成字节码文件（.class 文件），再由 Java 虚拟机（JVM）将字节码转换为机器码进行执行。在 Java 程序运行时，JVM 会将字节码文件加载到内存中，然后对字节码进行解释执行。

        JIT 技术的作用：在解释执行字节码的过程中，由于每条指令都需要解释执行一遍，导致程序的运行效率比较低。而 JIT 技术可以在程序运行时，将经常被执行的字节码动态编译成机器码，再直接执行机器码，避免了反复解释执行的过程，从而提高了程序的运行效率。

        JIT 技术的实现原理 JIT 技术的实现原理可以简单地概括为以下几个步骤：

1. 首先，JVM 在程序运行时，会动态地收集程序的运行数据，例如哪些方法被调用频繁、哪些代码块经常被执行等等。
2. 然后，JIT 技术会根据收集到的运行数据，对字节码进行分析和优化，将其中的热点代码（HotSpot）编译成机器码。
3. 最后，JVM 将编译好的机器码保存到缓存中，以备下次使用。这样，下次运行时，就可以直接执行编译好的机器码，避免了反复解释执行的过程。

        JIT 技术的优缺点：JIT 技术的主要优点是能够显著提高 Java 程序的性能，尤其是对于那些执行时间长、循环次数多的代码，优化效果更为明显。但是，JIT 技术也存在一些缺点，例如：

1. JIT 技术需要消耗一定的内存空间来保存编译好的机器码，而且由于程序运行时动态编译的特性，可能会导致一些初始的性能损失。
2. JIT 技术对于一些特殊的代码（例如反射、动态生成代码等）可能无法进行有效的优化，从而导致性能下降。

5、解释型语言和编译型语言的区别

        解释型语言和编译型语言的主要区别在于它们如何执行代码。

        编译型语言（如 C、C++、Java 等）将源代码转换为可执行代码的过程称为编译。编译器将源代码翻译成目标代码（二进制代码），并在运行之前将其编译成机器码。一旦编译完成，就可以直接运行目标代码，而无需重新编译。编译型语言的优点是速度快，因为在运行时不需要进行翻译或解释，但是需要对不同的平台进行重新编译，因此不够灵活。// 一次编译到处运行

        解释型语言（如 Python、Ruby、JavaScript 等）则不需要编译器将代码转换为机器码。它们会逐行解释代码并在运行时进行翻译。解释型语言的优点是更具灵活性，因为它们可以在运行时对代码进行修改，但是执行速度通常比编译型语言慢，因为需要每次都进行翻译。// 一边解释一边执行

        当然，还有一些语言是半编译半解释型语言，如 Java。它们使用编译器将源代码编译成字节码，然后使用解释器将字节码转换为机器码。这种机制使得 Java 应用程序具有高度的可移植性和跨平台性，同时也具有较高的执行效率。

6、为什么说 Java 是一种半编译半解释的语言？

        Java 是一种半编译半解释的语言，它的编译器将 Java 代码编译成 Java 字节码，而不是机器码。Java 字节码是一种中间语言，可以在 Java 虚拟机（JVM）上运行。

        在 Java 程序执行之前，Java 编译器将 Java 代码编译成字节码，并将其保存在 .class 文件中。这个过程被称为编译。当 Java 程序运行时，JVM 将字节码加载到内存中，并将其转换为机器码，这个过程被称为解释。// Java文件->字节码文件->机器码

        Java 的半编译半解释的特性使得 Java 具有跨平台性。由于 Java 程序不会直接编译成机器码，而是编译成中间代码，因此 Java 应用程序可以在任何平台上运行，只要该平台上有一个能够解释 Java 字节码的 JVM。这种机制使得 Java 应用程序具有高度的可移植性和跨平台性。