如果你是一名 Java 開發人員，你肯定指定 Java 代碼有很多種不同的運行方式。比如說可以在開發工具（IDEA、Eclipse等）中運行，可以雙擊執行 jar 文件運行，也可以在命令行中運行，甚至可以在網頁（比如各種 OJ）中運行。當然，這些執行方式都離不開 JRE（Java 運行時環境）。
JRE 包含運行 Java 程序的必需組件，包括 JVM（Java 虛擬機）以及 Java 核心類庫等。Java 程序員經常接觸到的 JDK（Java 開發工具包）同樣包含了 JRE，並且還附帶了一系列開發、診斷工具。
本篇文章主要針對以下兩個問題和大家一起探討：
- 為什麼需要 JVM？
- JVM 是怎樣運行 Java 代碼的呢？
為什麼需要 JVM？
Java 的一個非常重要的特點就是與平臺的無關性，而使用 JVM 是實現這一特點的關鍵。Java 作為一門高級程序語言，語法複雜，抽象程度高。因此，直接在硬件上運行這種複雜的程序並不現實。所以在運行 Java 程序之前，我們需要對其進行轉換。
設計一個面向 Java 語言特性的虛擬機，並通過編譯器將 Java 程序轉換成該虛擬機所能識別的指令序列（因為 Java 字節碼指令的操作碼（opcode）被固定為一個字節，故又稱 Java 字節碼）。
JVM 一般是在各個現有平臺（如 Windows、Linux）上提供軟件實現，這樣可以使一旦一個程序被轉換成 Java 字節碼，那麼便可以在不同平臺上的虛擬機實現裡運行（一次編寫，到處運行）。
JVM 另外一個好處是帶有託管環境（Managed Runtime），託管環境能夠代替處理一些代碼中冗長而且容易出錯的部分，其中包括自動內存管理與垃圾回收（GC）。
另外，託管環境還提供了諸如數組越界、動態類型、安全權限等等的動態檢測，使我們免於書寫這些無關業務邏輯的代碼。
JVM 是怎樣運行 Java 代碼的呢？
JVM 具體是怎麼運行 Java 字節碼的呢？下面我們一起來看一下：
從 JVM 來看，執行 Java 代碼首先需要將它編譯而成的 class 文件加載到 JVM 中。加載後的 Java 類會被存放於方法區（Method Area）中。實際運行時，JVM 會執行方法區內的代碼。
JVM 會在內存中劃分出堆和棧來存儲運行時數據，JVM 會將棧細分為面向 Java 方法的 Java 方法棧，面向本地方法（用 C++ 寫的 native 方法）的本地方法棧，以及存放各個線程執行位置的 PC 寄存器。
在運行過程中，每當調用進入一個 Java 方法，JVM 會在當前線程的 Java 方法棧中生成一個棧幀，用以存放局部變量以及字節碼的操作數。棧幀的大小是提前計算好的，而且 JVM 不要求棧幀在內存空間裡連續分佈。
當退出當前執行的方法時，不管是正常返回還是異常返回，JVM 均會彈出當前線程的當前棧幀，並將之捨棄。
從硬件視角來看，Java 字節碼無法直接執行。因此，JVM 需要將字節碼翻譯成機器碼。
在 HotSpot 裡面，上述翻譯過程有兩種形式：第一種是解釋執行（interpreter），即逐條將字節碼翻譯成機器碼並執行；第二種是即時編譯（Just-In-Time compilation，JIT），即將一個方法中包含的所有字節碼編譯成機器碼後再執行。
前者的優勢在於無需等待編譯，而後者的優勢在於實際運行速度更快。HotSpot 默認採用混合模式，綜合瞭解釋執行和即時編譯兩者的優點。它會先解釋執行字節碼，而後將其中反覆執行的熱點代碼，以方法為單位進行即時編譯。
整個 Java 代碼執行過程如下：
- 使用 javac 把 .java 源文件編譯為字節碼（文件後綴名為 .class）
- 字節碼經過 JIT 環境變量進行判斷，是否屬於熱點代碼（多次調用的方法或循環體）
- 熱點代碼使用 JIT 編譯為可執行的機器碼
- 非熱點代碼使用解釋器解釋執行所有字節碼
其中，在運行過程中會被即時編譯的熱點代碼有兩類：
- 被多次調用的方法
- 被多次執行的循環體
針對第一類，編譯器會將整個方法作為編譯對象，這也是標準的 JIT 編譯方式。對於第二類是由循環體出發的，但是編譯器依然會以整個方法作為編譯對象，因為發生在方法執行過程中，稱為棧上替換。
HotSpot 採用了多種技術來提升啟動性能以及峰值性能，剛剛提到的即時編譯便是其中最重要的技術之一。
即時編譯建立在程序符合二八定律的假設上，也就是百分之二十的代碼佔據了百分之八十的計算資源。
對於佔據大部分的不常用的代碼，我們無需耗費時間將其編譯成機器碼，而是採取解釋執行的方式運行；另一方面，對於僅佔據小部分的熱點代碼，我們則可以將其編譯成機器碼，以達到理想的運行速度。
為了滿足不同用戶場景的需要，HotSpot 內置了多個即時編譯器：C1、C2。之所以引入多個即時編譯器，是為了在編譯時間和生成代碼的執行效率之間進行取捨。
- C1 （Client 編譯器）面向的是對啟動性能有要求的客戶端 GUI 程序，採用的優化手段相對簡單，因此編譯時間較短。
- C2 （Server 編譯器）面向的是對峰值性能有要求的服務器端程序，採用的優化手段相對複雜，因此編譯時間較長，但同時生成代碼的執行效率較高。
從 Java 7 開始，HotSpot 默認採用分層編譯的方式：熱點方法首先會被 C1 編譯，而後熱點方法中的熱點會進一步被 C2 編譯。
為了不干擾應用的正常運行，HotSpot 的即時編譯是放在額外的編譯線程中進行的。HotSpot 會根據 CPU 的數量設置編譯線程的數目，並且按 1:2 的比例配置給 C1 及 C2 編譯器。
在計算資源充足的情況下，字節碼的解釋執行和即時編譯可同時進行。編譯完成後的機器碼會在下次調用該方法時啟用，以替換原本的解釋執行。
其中判斷一段代碼是否為熱點代碼，是不是需要觸發即時編譯，這樣的行為稱為熱點探測（Hot Spot Detection），探測算法有兩種：
- 基於採樣的熱點探測（Sample Based Hot Spot Detection）：虛擬機會週期的對各個線程棧頂進行檢查，如果某些方法經常出現在棧頂，這個方法就是熱點方法。優點是實現簡單、高效，很容易獲取方法調用關係。缺點是很難確認方法的 reduce，容易受到線程阻塞或其他外因擾亂。
- 基於計數器的熱點探測（Counter Based Hot Spot Detection）：為每個方法（甚至是代碼塊）建立計數器，執行次數超過閾值就認為是熱點方法。優點是統計結果精確嚴謹。缺點是實現麻煩，不能直接獲取方法的調用關係。
HotSpot 使用的是第二種-基於計數器的熱點探測，並且有兩類計數器：方法調用計數器（Invocation Counter）和回邊計數器（Back Edge Counter）。
總結
這篇文章主要介紹了為什麼需要 JVM 以及 JVM 是怎樣運行 Java 代碼的。
為什麼需要 JVM：
- 提供了可移植性。一次編譯，到處執行。
- 提供了代碼託管的環境，代替處理部分冗長而且容易出錯的部分。
JVM 將運行時內存區域劃分為五個部分，分別為方法區、堆、PC 寄存器、Java 方法棧和本地方法棧。Java 程序編譯而成的 class 文件，需要先加載至方法區中，方能在 JVM 中運行。
為了提高運行效率，HotSpot 虛擬機採用的是一種混合執行的策略，會解釋執行 Java 字節碼，然後會將其中反覆執行的熱點代碼，以方法為單位進行即時編譯，翻譯成機器碼後直接運行在底層硬件之上。
HotSpot 裝載了多個不同的即時編譯器，以便在編譯時間和生成代碼的執行效率之間做取捨。
判斷熱點代碼的探測算法包括基於採樣和基於計數器兩種，HotSpot 採用基於計數器的熱點探測，計數器又分為方法調用計數器和回邊計數器。
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