Java 程序的运行原理

Java程序运行时，主要分为编译和运行两个步骤。首先将java的源文件编译成字节码。然后通过不同的虚拟机解释执行，实现跨平台

Java编译过程#

在Java中，类的编译是指将源代码文件（.java文件）转换为字节码文件（.class文件）的过程。这个过程一般由Java编译器（javac）完成，它会将源代码文件编译成可由Java虚拟机（JVM）执行的字节码文件。编译阶段通常是在开发人员编写完源代码后手动触发的，或者在集成开发环境（IDE）中自动触发

可以这样理解，编译的过程就是”编“和”译“。

编：将java源代码的结构组织成合适的格式，包括编译过程中的抽象语法树和符号表等，并在最终将源码编码成为class文件。

译：对源代码中的语义进行解析，并准确地翻译成另一种形式(字节码)。这一步既要确保原格式正确(Java源代码中的语法正确)，又要确保翻译后的字节码跟源代码表达的意思一致。

也就是说，编译的过程要保证 输入的格式符合Java语言规范，输出的格式符合Java虚拟机规范

Java代码编译是由Java源码编译器来完成，流程图如下所示：

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）

语法分析和输入到符号表

注解处理和语义分析

标准检查和生成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

Java执行过程#

在程序运行时，Java虚拟机（JVM）会负责加载这些.class文件并执行其中的字节码，这个过程也叫做类加载。在经过类加载（加载、链接、初始化）后将类加载到jvm内存中。

类加载过程

1. 加载（Loading）：在加载阶段，JVM会查找并加载.class文件。这个过程通常是通过类加载器（ClassLoader）来完成的。类加载器会根据类的全限定名（包括包名）在文件系统或网络中查找相应的.class文件，并将其加载到内存中。

2. 链接（Linking）：在链接阶段，JVM会将加载的类与当前运行的程序连接起来。这个过程包括三个步骤：验证（Verification）、准备（Preparation）和解析（Resolution）。在验证阶段，JVM会检查字节码文件的合法性和安全性。在准备阶段，JVM会为类的静态变量分配内存空间并设置默认初始值。在解析阶段，JVM会将类、方法和字段的符号引用解析为直接引用。

3. 初始化（Initialization）：在初始化阶段，JVM会执行类构造器()方法，这个方法是由编译器自动生成的，用于执行类的静态变量赋值和静态代码块。这个阶段是类加载的最后一个阶段，同时也是类加载过程中最重要的一个阶段。

程序的执行

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。

JVM内存结构图

总结#

在执行Java程序中，主要分为两部分；编译和解析执行

编译主要是对java文件语法、语义和语法糖等检查。并生成字节码文件

解析执行主要是对java类进行类加载和内存分配，然后通过通过栈帧的方式来驱动程序执行

① Java 源文件—->编译器—->字节码文件
② 字节码文件—->JVM—->机器码

Q&A#

main方法的执行过程 #

通过java命令执行这个程序时，会通过环境变量配置路径找到java执行程序(c++)，它的内部会启动一个Java虚拟机实例。在Java中，public static void main(String[] args)是程序的入口点，这是因为Java虚拟机（JVM）在执行程序时会寻找这个特定的方法签名来作为程序的入口点。这个方法的签名是固定的，它必须是public（公共的，可以被外部访问）、static（静态的，不需要实例化即可调用）、void（无返回值）类型，并且方法名必须是main，参数列表必须是一个字符串数组。

执行程序时JVM会首先加载并初始化指定的类，然后寻找这个特定的main方法，并且执行其中的代码。这是Java程序启动时的入口点，它负责启动程序的执行过程。

另外，main方法的参数args是用来接收命令行参数的，这使得Java程序可以接受外部传入的参数，从而实现更灵活的程序设计和执行。因此，public static void main(String[] args)是Java程序的入口点，负责程序的启动和执行。

编译器查看class为什么不是编译后的代码#

IDEA 默认会使用 Fernflower 对字节码文件进行反编译，可以看到javac会帮助我们对源文件进行一些编译优化