Java程序运行基本原理

Java的跨平台性

java代码通过编译后生成.class文件运行在java虚拟机上，同一个.class文件通过虚拟机会得到不同的机器指令（Windows和Linux的机器指令不同），但是最终执行的结果却是相同的。java虚拟机屏蔽了底层操作系统指令上的差异，从而实现java语言的跨平台性。

.class文件的内容

.class文件包含java程序运行的字节码，是一组以8位字节为基础严格按照规定的格式紧凑排列的二进制流，中间无任何分隔符(如下图)；二进制文件不易于阅读，我们可以通过class字节码工具：javap输出易于阅读的字节码内容。

java运行时的数据区

Java虚拟机在执行java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。如下图

线程独占：每个线程都会有它的独立空间，随线程的生命周期而创建和销毁
线程共享：所有线程都能访问的内存数据，随虚拟机或者GC而创建和销毁
方法区：用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据，它是一块各个线程共享的内存区域。
堆内存：是JVM所管理的内存中最大的一块，在虚拟机启动时创建，用于存储对象实例，也是线程共享区域。堆内存还可以细分为：老年代、新生代（Eden、From Survivor、To Survivor），垃圾回收器GC主要管理的就是堆内存空间。如果满了就会触发OOM。

虚拟机栈：虚拟机栈是线程独占的，它的生命周期与线程相同，默认栈内存大小是1M。
线程栈会由多个栈帧组成。
栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每个方法从调用到执行完成的过程，对应的就是一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。
一个线程会执行一个或多个方法，每个方法会对应一个栈帧。
本地方法栈：本地方法栈和虚拟机栈作用类似，区别是虚拟机栈是对java方法的执行服务，本地方法栈是对native方法(直接与操作系统交互的原生方法)的执行服务。
程序计数器：是一块比较小的内存区域，可以看做当前线程执行的字节码行号指示器，记录当前线程执行字节码的位置。多线程是通过分片cpu执行时间的方式来实现的，线程切换后cpu要恢复到之前的正确执行位置，就需要通过独立的程序计数器来完成。

根据class文件分析Java代码的执行

下面通过一段测试代码，先编译成class，分析javap命令的解析结果，看看Java代码的执行。

public class apprun {
    public static void main(String[] args) {
        Integer i = 40;
		synchronized (args) {
			i++;
		}
        Integer j = i + 1;
        System.out.println(j);
    }
}

//编译
javac apprun.java
//javap查看内容
javap -verbose apprun.class

class文件javap后输出的解析结果包含以下几个部分：版本号/访问控制、常量池、构造方法、程序入口main方法、Exception table、LineNumberTable、StackMapTable。我们主要对程序入口main方法进行分析，看代码的底层执行。

程序入口main方法
程序运行的详细指令，具体指令代表的意义请参考java 虚拟机字节码指令表
下图是本次程序编译后的指令以及注释

本测试程序的执行图进行了中文注释说明，其中有几个点需要特别说明下：
1、本测试中用了synchronized关键字进行加锁，在底层的指令中，对应的是monitorenter加锁和monitorexit释放锁，monitorenter操作的目标一定要是一个对象，类型是reference，Reference实际就是堆里的一个存放对象的地址。
2、本段程序在底层中一共有6个局部变量，除了代码里直接定义的i和j，还有方法参数args、加锁时的args的对象引用、i++计算时引入的临时变量、异常处理时的变量
3、对于i++操作，通过指令可以看出底层是这样实现的：
_temp = i; （引入临时变量，赋值为40）
i = i + 1;（执行完add操作后，将加完的值41再填入i中，此时i完成了自增变为了41）
i++ = _temp;（i++的值还是40）
如果不是很清晰，可以改一下代码，加一个赋值操作，编译后再对比，可以看的更直观。


版本号/访问控制
版本号在二进制的class文件中是紧随在魔数0xCAFEBABE之后的4个字节。访问标志名对应的含义可参照


常量池
在二进制的class文件中，常量池是紧随在版本号之后的。常量池中的常量是不固定的，所以它的长度也是未定的。
常量池中主要存放两大常量：字面量和符号引用。
字面量即我们java语言定义的常量，如文本字符串、声明为final的常量值等。
符号引用属于编译原理方面的概念，包括类和接口的全限定名、字段的名字和描述符、方法的名称和描述符

构造方法
在代码里我们没有定义构造函数，但会生成隐式的无参数构造方法

程序完整运行的分析

1、java源代码经过编译后转为字节码，jvm将代码中所有的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据加载都到方法区（1.7之前称为永久代，1.8开始称为元数据空间）。

2、类信息加载完成之后，jvm会创建线程来执行代码，线程会在虚拟机栈和程序计数器创建其独占的空间。本地方法栈是用于native方法的创建。

3、在线程的独占空间内，程序计数器记录当前线程执行字节码的位置。
虚拟机栈则存放多个栈帧，栈帧是方法对应的操作，线程就是不断的执行一个或者多个方法，对应的就会有一个或者多个栈帧。
栈帧存储了方法的局部变量表、操作数栈、动态连接和方法返回地址等信息，每个方法从调用开始到执行完成，就对应着一个栈帧在虚拟机栈里面从入栈到出栈的过程。

下面以我们的测试代码为例，对栈帧的操作过程进行一个简单的解析。
图中截取了部分javap解析后main方法的指令，只进行一个简要的栈帧操作过程分析，具体的指令执行，请参考程序入口main方法中的注释详情