java程序的执行过程详解

Java程序运行时，必须经过编译和运行两个步骤。首先将后缀名为.java的源文件进行编译，最终生成后缀名为.class的字节码文件。然后Java虚拟机将编译好的字节码文件加载到内存（这个过程被称为类加载，是由加载器完成的），然后虚拟机针对加载到内存的java类进行解释执行，显示结果。

Java的运行原理

在Java中引入了虚拟机的概念，即在机器和编译程序之间加入了一层抽象的虚拟的机器。这台虚拟的机器在任何平台上都提供给编译程序一个的共同的接口。编译程序只需要面向虚拟机，生成虚拟机能够理解的代码，然后由解释器来将虚拟机代码转换为特定系统的机器码执行。在Java中，这种供虚拟机理解的代码叫做字节码（ByteCode），它不面向任何特定的处理器，只面向虚拟机。每一种平台的解释器是不同的，但是实现的虚拟机是相同的。Java源程序经过编译器编译后变成字节码，字节码由虚拟机解释执行，虚拟机将每一条要执行的字节码送给解释器，解释器将其翻译成特定机器上的机器码，然后在特定的机器上运行。

Java代码编译和执行的整个过程

Java代码编译是由Java源码编译器来完成，流程图如下所示：

Java字节码的执行是由JVM执行引擎来完成，流程图如下所示：

Java代码编译和执行的整个过程包含了以下三个重要的机制：

Java源码编译机制

类加载机制

类执行机制

Java源码编译机制

Java 源码编译由以下三个过程组成：（javac –verbose 输出有关编译器正在执行的操作的消息）

分析和输入到符号表

注解处理

语义分析和生成class文件

最后生成的class文件由以下部分组成：

1、结构信息。包括class文件格式版本号及各部分的数量与大小的信息

2、元数据。对应于Java源码中声明与常量的信息。包含类/继承的超类/实现的接口的声明信息、域与方法声明信息和常量池

3、方法信息。对应Java源码中语句和表达式对应的信息。包含字节码、异常处理器表、求值栈与局部变量区大小、求值栈的类型记录、调试符号信息

类加载机制

JVM的类加载是通过ClassLoader及其子类来完成的，类的层次关系和加载顺序可以由下图来描述：

1）Bootstrap ClassLoader /启动类加载器

$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar里所有的class，由C++实现，不是ClassLoader子类

2）Extension ClassLoader/扩展类加载器

负责加载java平台中扩展功能的一些jar包，包括$JAVA_HOME中jre/lib/*.jar或-Djava.ext.dirs指定目录下的jar包

3）App ClassLoader/ 系统类加载器

负责记载classpath中指定的jar包及目录中class

4）Custom ClassLoader/用户自定义类加载器（java.lang.ClassLoader的子类）

属于应用程序根据自身需要自定义的ClassLoader，如tomcat、jboss都会根据j2ee规范自行实现ClassLoader

加载过程中会先检查类是否被已加载，检查顺序是自底向上，从Custom ClassLoader到BootStrap ClassLoader逐层检查，只要某个classloader已加载就视为已加载此类，保证此类只所有ClassLoader加载一次。而加载的顺序是自顶向下，也就是由上层来逐层尝试加载此类。

类加载双亲委派机制介绍和分析

在这里，需要着重说明的是，JVM在加载类时默认采用的是双亲委派机制。通俗的讲，就是某个特定的类加载器在接到加载类的请求时，首先将加载任务委托给父类加载器，依次递归，如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回；只有父类加载器无法完成此加载任务时，才自己去加载。

类执行机制

JVM是基于栈的体系结构来执行class字节码的。线程创建后，都会产生程序计数器（PC）和栈（Stack），程序计数器存放下一条要执行的指令在方法内的偏移量，栈中存放一个个栈帧，每个栈帧对应着每个方法的每次调用，而栈帧又是有局部变量区和操作数栈两部分组成，局部变量区用于存放方法中的局部变量和参数，操作数栈中用于存放方法执行过程中产生的中间结果。

执行过程如下

1、为main方法创建栈帧：

局部变量表长度为2，slot0存放参数args，slot1存放局部变量Student s，操作数栈最大深度为5。

2、new#7指令，在java堆中创建一个Student对象，并将其引用值放入栈顶。

3、初始化一个对象（通过实例构造的方式）

up指令：复制栈顶的值，然后将复制的结果入栈。

bipush 23：将单字节常量值23入栈。

ldc #8：将#8这个常量池中的常量即”dqrcsc”取出，并入栈。

ldc #9：将#9这个常量池中的常量即”20150723”取出，并入栈。

4、invokespecial #10：调用#10这个常量所代表的方法，即Student.（）这个方法，这步是为了初始化对象s的各项值

《init》（）方法，是编译器将调用父类的《init》（）的语句、构造代码块、实例字段赋值语句，以及自己编写的构造方法中的语句整合在一起生成的一个方法。保证调用父类的《init》（）方法在最开头，自己编写的构造方法语句在最后，而构造代码块及实例字段赋值语句按出现的顺序按序整合到《init》（）方法中。

注意到Student.《init》（）方法的最大操作数栈深度为3，局部变量表大小为4。

此时需注意：从dup到ldc #9这四条指令向栈中添加了4个数据，而Student.（）方法刚好也需要4个参数：

public Student（int age， String name， String sid）{

super（age，name）;

this.sid = sid;

}1234567

虽然定义中只显式地定义了传入3个参数，而实际上会隐含传入一个当前对象的引用作为第一个参数，所以四个参数依次为this，age，name，sid。

上面的4条指令刚好把这四个参数的值依次入栈，进行参数传递，然后调用了Student.《init》（）方法，会创建该方法的栈帧，并入栈。栈帧中的局部变量表的第0到4个slot分别保存着入栈的那四个参数值。

创建Studet.《init》（）方法的栈帧：

Student.《init》（）方法中的字节码指令：

aload_0：将局部变量表slot0处的引用值入栈

aload_1：将局部变量表slot1处的int值入栈

aload_2：将局部变量表slot2处的引用值入栈

invokespecial #1：调用Person.（）方法，同调用Student.过程类似，创建栈帧，将三个参数的值存放到局部变量表等，这里就不画图了……

从Person.（）返回之后，用于传参的栈顶的3个值被回收了。

aload_0：将slot0处的引用值入栈。

aload_3：将slot3处的引用值入栈。

putfield #2：将当前栈顶的值”20150723”赋值给0x2222所引用对象的sid字段，然后栈中的两个值出栈。

return：返回调用方即main（）方法，当前方法栈帧出栈。

重新回到main（）方法中，继续执行下面的字节码指令：

astore_1：将当前栈顶引用类型的值赋值给slot1处的局部变量，然后出栈。

5、到这儿为止，第一行代码执行完毕，将s返回给局部变量表，执行下边的

public static void main（String［］ args）{

Student s = new Student（23，“dqrcsc”，“20150723”）;//执行完毕

s.study（5，6）;

Student.getCnt（）;

s.run（）;

}1234567891011

aload_1：slot1处的引用类型的值入栈

iconst_5：将常数5入栈，int型常数只有0-5有对应的iconst_x指令

bipush 6：将常数6入栈

6、开始执行第二行代码，也就是strudy方法

invokevirtual #11：调用虚方法study（），这个方法是重写的接口中的方法，需要动态分派，所以使用了invokevirtual指令。

创建study（）方法的栈帧：

最大栈深度3，局部变量表5

方法的java源码：

这里写代码片public int study（int a， int b）{

int c = 10;

int d = 20;

return a+b*c-d;

}123456789

bipush 10：将10入栈

istore_3：将栈顶的10赋值给slot3处的int局部变量，即c，出栈。

bipush 20：将20入栈

istore 4：将栈顶的20付给slot4处的int局部变量，即d，出栈。

上面4条指令，完成对c和d的赋值工作。

iload_1、iload_2、iload_3这三条指令将slot1、slot2、slot3这三个局部变量入栈：

imul：将栈顶的两个值出栈，相乘的结果入栈：

iadd：将当前栈顶的两个值出栈，相加的结果入栈

iload 4：将slot4处的int型的局部变量入

isub：将栈顶两个值出栈，相减结果入栈：

ireturn：将当前栈顶的值返回到调用方。

7、到这儿为止，第二行代码执行完毕，返回值返回给s，执行下边的

public static void main（String［］ args）{

Student s = new Student（23，“dqrcsc”，“20150723”）;//执行完毕

s.study（5，6）;

Student.getCnt（）;

s.run（）;

}1234567891011

invokestatic #12 调用静态方法getCnt（）不需要传任何参数

pop：getCnt（）方法有返回值，将其出栈

aload_1：将slot1处的引用值入栈

invokevirtual #13：调用0x2222对象的run（）方法，重写自父类的方法，需要动态分派，所以使用invokevirtual指令

return：main（）返回，程序运行结束。