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Java这一语言的执行过程也遵循这样的过程:源代码---机器码。 但是,从源代码到机器码之间,究竟经过什么样的过程,则是Java独一无二的了。宽泛地讲,Java源代码(.java)经过java编译器(javac.exe)编译之后,并没有直接转化为机器码,而是转化成一种中间格式,成为字节码(.class),字节码再经过java虚拟机转化成特定CPU架构的机器码。也正是因为这一中间物,java才有所谓的跨平台。在windows平台上编译好的字节码,copy到linux平台后,经过为linux而设计的Java虚拟机解释后即可执行。跨平台这一特征,是通过字节码和JVM来实现的。
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因此,想搞清楚java程序到底是如何运行的,重点在于弄明白字节码是如何被转化成跟CPU架构相关的机器码然后被执行的。也就是要理解JVM到底是如何工作的。在了解JVM之前,我们再跳出来一下,先看看什么是虚拟机。所谓虚拟机,我是这么理解的:用软件的方式模拟出跟硬件类似的环境,比如说寄存器、存储器等等。当然,所有最终的工作还是由原来的CPU来完成。比如说VirtualBox这个虚拟机产品,它其实就是一个应用程序,用某种编程语言编写的应用程序。当运行这个应用程序时,它会要求操作系统给它独立施展手脚的空间:给我一些内存,给我一定的CPU时间片,然后不用管我了。你可能会问,寄存器是硬件啊,它怎么能划分啊,难道是时间划分?不是的,像内存这样的硬件,可以给虚拟机一块独立的内存块,但是寄存器之后的,则需要用“模拟仿真”的方式来模拟。OK,回到Java虚拟机。到底什么是Java虚拟机,很难有一个十分明确的定义,狭窄一点说,它就是一个应用程序,大部分用C++编写的。宽泛地说,它就是执行字节码的一整个环境。
Java工作原理
由四方面组成:
(1)Java编程语言
(2)Java类文件格式
(3)Java虚拟机
(4)Java应用程序接口
当编辑并运行一个Java程序时,需要同时涉及到这四种方面。使用文字编辑软件(例如记事本、写字板、UltraEdit等)或集成开发环境(Eclipse、MyEclipse等)在Java源文件中定义不同的类 ,通过调用类(这些类实现了Java API)中的方法来访问资源系统,把源文件编译生成一种二进制中间码,存储在class文件中,然后再通过运行与操作系统平台环境相对应的Java虚拟机来运行class文件,执行编译产生的字节码,调用class文件中实现的方法来满足程序的Java API调用 。
Java编译原理:
Java 虚拟机(JVM)是可运行Java 代码的假想计算机。只要根据JVM规格描述将解释器移植到特定的计算机上,就能保证经过编译的任何Java代码能够在该系统上运行。
一.Java源文件的编译、下载 、解释和执行
Java应用程序的开发周期包括编译、下载 、解释和执行几个部分。Java编译程序将Java源程序翻译为JVM可执行代码?字节码。这一编译过程同C/C++ 的编译有些不同。当C编译器编译生成一个对象的代码时,该代码是为在某一特定硬件平台运行而产生的。因此,在编译过程中,编译程序通过查表将所有对符号的引用转换为特定的内存偏移量,以保证程序运行。Java编译器却不将对变量和方法的引用编译为数值引用,也不确定程序执行过程中的内存布局,而是将这些符号引用信息保留在字节码中,由解释器在运行过程中创立内存布局,然后再通过查表来确定一个方法所在的地址。这样就有效的保证了Java的可移植性和安全 性。
运行JVM字节码的工作是由解释器来完成的。解释执行过程分三部进行:代码的装入、代码的校验和代码的执行。装入代码的工作由"类装载器"(class loader)完成。类装载器负责装入运行一个程序需要的所有代码,这也包括程序代码中的类所继承的类和被其调用的类。当类装载器装入一个类时,该类被放在自己的名字空间中。除了通过符号引用自己名字空间以外的类,类之间没有其他办法可以影响其他类。在本台计算机上的所有类都在同一地址空间内,而所有从外部引进的类,都有一个自己独立的名字空间。这使得本地类通过共享相同的名字空间获得较高的运行效率,同时又保证它们与从外部引进的类不会相互影响。当装入了运行程序需要的所有类后,解释器便可确定整个可执行程序的内存布局。解释器为符号引用同特定的地址空间建立对应关系及查询表。通过在这一阶段确定代码的内存布局,Java很好地解决了由超类改变而使子类崩溃的问题,同时也防止了代码对地址的非法访问。
随后,被装入的代码由字节码校验器进行检查。校验器可发现操作数栈溢出,非法数据类型转化等多种错误。通过校验后,代码便开始执行了。
Java字节码的执行有两种方式:
1.即时编译方式:解释器先将字节码编译成机器码,然后再执行该机器码。
2.解释执行方式:解释器通过每次解释并执行一小段代码来完成Java字节码程 序的所有操作。
通常采用的是第二种方法。由于JVM规格描述具有足够的灵活性,这使得将字节码翻译为机器代码的工作
具有较高的效率。对于那些对运行速度要求较高的应用程序,解释器可将Java字节码即时编译为机器码,从而很好地保证了Java代码的可移植性和高性能。