Java 开发流程

Java 运行原理

半编译半解释

平台无关性

JVM 规范（Specification）

Runtime data area 运行时数据区域

Sun JVM 规范实现

当年 sun 公司是这么定义 Java 的：Java 是一种简单、面向对象、分布式、跨平台、半编译半解释、健壮、安全、高性能、多线程的动态语言。

Java 开发流程

1、如下所示在 E:/Study_Note/test 目录下新建一个 HelloWorld.java 源文件。HelloWorld.java 源文件中输出一句话，同时引用了 JDK 的 API java.util.Date() 打印一下日期。

2、使用 javac *.java 编译源代码，此时如果源代码正确，则默认会在当前目录下自动生成编译好的二进制文件 *.class

import java.util.Date;
/*** Created by Administrator on 2019/3/29 0029.*/
public class HelloWorld {public static void main(String[] args) {System.out.println("Hello World "+ new Date());}
}

注意事项：

1、java 命令后面接的是字节码文件(*.class)的类名，且不能带后缀名 .class，否则会报错，*.class 可以放到任意其它位置使用 java 命令执行，不再与 *.java 源码有关

2、java 、javac 命令不是凭空出来的，而是安装好 Java JDK 后，在 %JAVA_HOME%/bin 目录下提供的，而且其中还提供了其它很多命令，如常用的还有 javaw.exe、javafxpackager.exe 等等。

3、所以要想在 cmd 中直接调用 java、javac 等命令，必须先配置好 Java 环境变量，否则只能输命令的全路径。

3、这里所说的开发流程是 Java 开发的底层流程，实际中显然不会这么写 java 源代码，也不会到 cmd 中自己来 javac 编译源文件，然后 java 命令执行字节码文件，而是使用 IDEA 、Eclipse 等工具编写，但需要明白的是这些工具底层也是这么操作的。

Java 运行原理

JVM(Java Virtual Machine)-Java 虚拟机：

1、JVM 是一个虚构出来的计算机，通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。

2、Java 虚拟机有自己完善的硬件架构，如处理器、寄存器、堆栈等，还具有相应的指令系统

半编译半解释

1、系统(编译器)先将用户输入的指令翻译成一种通用的，比较规则的中间形式的代码(*.class)，保密性强，运行时则由所在机器(JVM)的解释器进行解释执行。

2、java 语言的开发效率高，但执行效率低。（相当于c++的55%）

平台无关性

1、所谓平台：即一套特定的硬件再加上运行的操作系统(硬件+软件)。编程语言对不同平台的支持有所不同。（如 VB、C/C++、Java...）

2、Java 完全不用修改任何源代码，也不用重新编译就可以将 Java 应用从一个平台直接移植到其它平台。

3、不同平台的内存管理模式和CPU的指令集等都有很大的差别，为了让 Java 实现平台无关性，Sun 公司在不同平台上用软件模拟出虚拟目标机(JVM)，虚拟出CPU指令集和内存。

4、Java 平台无关性的关键在于 JVM，所有的字节码(*.class)就是在虚拟出的目标机(JVM)上运行，不会和平台的底层直接打交道。

5、JVM 根据平台的不同，把字节码解释成不同的本地代码(如上图)，JVM 就像翻译，把通用的普通话翻译成不同地方的特色方言。

6、Java 的平台无关性给程序的部署带来了很大的灵活性，节约开发和升级成本。但是也有一个缺点：Java代码必须经过JVM解释才能运行，使得Java运行效率相比C++等语言要低很多。

7、WORA：Write Once,Run Anyhere(一次编写，到处运行)

JVM 规范（Specification）

1、JVM Specification（规范）中的 JVM 整体架构如下图：

运行时数据区域中的方法区、heap：所有线程共享使用
其余3个白色的则各个线程独有，互补干扰

1、主要包括两个子系统和两个组件：Class Loader（类加载器）子系统，Execution Engine（执行引擎）子系统；Runtime data area（运行时数据区域）组件，Native interface（本地接口）组件。

2、Class loader 子系统：根据给定的全限定类名（如 java.lang.Object）来装载 class 文件的内容到 Runtime data area 中的方法区。Java 程序员可以 extends java.lang.ClassLoader 类来自定义 Class loader。

3、Execution engine 子系统：执行 classes 中的指令。任何 JVM 规范的实现（JDK），其核心就是 Execution engine。目前 JVM 规范的实现主要有 sun 公司的 JDK、JRE(现在是Oracle的了)，以及 IBM 的 JDK、JRE，因为都遵循 JVM 规范，所以功能上基本无异，好坏程度主要取决于它们各自实现的 Execution engine。每个运行中的线程都有一个 Executon engine 的实例。

4、Native interface 组件：与 Native libraries 交互，是与其它编程语言交互的接口。

5、Runtime data area 组件：这个组件是 JVM 中的内存，也是核心部分，下面将对它进行详细介绍。

Runtime data area 运行时数据区域

1、Runtime data area 组件是 JVM 中的内存，整体架构图如下：

2、Runtime data area 主要包括五个部分：Heap (堆)、Method Area(方法区域)、Java Stack(java的栈)、Program Counter(程序计数器)、Native method stack(本地方法栈)。

3、Heap 和 Method Area 是被所有线程的共享使用的；而 Java stack, Program counter 和Native method stack 是以线程为粒度的，每个线程独自拥有。

Heap（堆）	1、Java 程序在运行时创建的所有类实例或数组都放在同一个堆中。 2、一个 Java 程序独占一个 JVM 实例，互补干扰，一个 JVM 实例只存在一个堆空间，同一 Java 程序中的所有线程都共享这个堆，所以得考虑多线程访问对象（堆数据）的同步问题。 3、可能出现的异常为：java.lang.OutOfMemoryError:Java heap space
Method area（方法区）	1、Java 虚拟机中，被装载的 class 的信息存储在 Method area 的内存中。 2、当虚拟机装载某个类型时，它使用类装载器定位相应的 class 文件，然后读入这个 class 文件的内容，并把它传输到虚拟机中。然后虚拟机提取其中的类型信息，同时将它存储到方法区。该类型中的类（静态）变量同样也存储在方法区中。 3、与 heap 一样，method area 也是多线程共享的，需要考虑多线程访问的同步问题。比如：两个线程都企图访问一个名为 HelloWorld 的类，而这个类还没有装载入虚拟机，那么这时应该只有一个线程去装载它，另一个线程只能等待。 4、可能出现的异常：java.lang.OutOfMemoryError:PermGen full（permanent generation full）
Java Stack（虚拟机栈）	1、Java stack 以帧为单位保存线程的运行状态。 2、虚拟机只会直接对 Java stack 执行两种操作；以帧为单位的压栈或出栈。每当线程调用一个方法时，就对当前状态作为一个帧保存到 Java stack 中（压栈）；当一个方法返回时，从 Java stack 弹出一个帧（出栈）。 3、栈的大小是有一定的限制的，可能出现的问题为：StackOverFlow
Program counter（程序计数器）	1、每个运行中的 Java 程序，每一个线程都有它自己的 PC寄存器，在线程启动时创建的。（延伸：寄存器是 CPU 的组成部分，是一个容量有限的高速存储部件，它们可用来暂存指令、数据和地址） 2、PC寄存器的内容总是指向下一条将被执行指令的"地址"，这里的"地址"可以是一个本地指针，也可以是在方法区中相对应于该方法起始指令的偏移量。
Native method stack（本地方法栈）	1、对于一个运行中的 Java 程序而言，它可能会用到一些跟本地方法相关的数据区。当某个线程调用一个本地方法时，它就进入了一个全新的并且不再受虚拟机限制的世界。 2、本地方法可以通过本地方法接口来访问虚拟机的运行时数据区，不止与此，它还可以做任何它想做的事情。比如，可以调用寄存器，或在操作系统中分配内存等。 3、总之，本地方法具有和 JVM 相同的能力和权限。 (这里可能出现 JVM 无法控制的内存溢出问题native heap OutOfMemory )

Sun JVM 规范实现

1、本节主要介绍 Sun JVM 中对 JVM Specification 的实现（内存部分）。

2、已经说过 JVM Specification（规范）只是抽象的说明了 JVM 实例按照子系统、内存区、数据类型以及指令这几个术语来描述，规范并非是要强制规定 Java 虚拟机实现内部的体系结构，更多的是为了严格地定义这些实现的外部特征。所以如 Sun JVM 实现与 IMB JVM 实现细节上略有不同。

3、Sun JVM 实现中：Runtime data area(JVM 内存) 五个部分中的 Java Stack , Program Counter, Native method stack 三部分和规范中的描述基本一致；但对 Heap 和 Method Area 进行了自己独特的实现。这个实现和 Sun JVM 的 Garbage collector（垃圾回收）机制有关。下面的"垃圾分代回收算法"会进行详细描述。