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引出JRE
Java代码有多种运行方法，我们接触的最多的应该是在Java开发工具中运行，双击Jar运行，以及在命令中运行。当然，这些执行方式都离不开JRE，也就是Java运行时环境。
实际上，Jre仅包含了运行java程序的必要组件，包含JVM（java虚拟机）以及核心类库。我们接触最多的JDK（java开发工具包）同样包含了JRE，并且还附带了一系列的开发、诊断工具。
大学的时候接触计算机语言，应该更先接触到C、C++程序，在学习C++的时候，我们都知道在C的世界里不需要 额外的运行时环境，可以直接背编译成CPU所能理解的代码格式，也就是机器码。
既然C++的运行方式已经如此成熟了，那为什么Java要在虚拟机里运行？为什么就不能学习C++的这个运行原理，丢弃JVM呢？还有JVM又是如何运行java代码的？它的性能又如何？ （真实内心独白：随着程序这条路越走越远，发现遇到的问题也越来越多，尤其是越是那些原本认为是最基础的反而是最难搞明白的，心里开始发慌，这些基础的、原理性的东西搞不明白我又怎么能写出高效、健壮的代码呢。）需要将这些问题一个个的弄清楚。
为什么Java代码要在虚拟机里运行？
Java作为一门高级语言，他的语法非常的复杂，抽象程度也很高。所以直接在硬件上运行这种复杂的程序并不现实。所以，在运行Java程序之前我们需要先对它进行一系列的转换。
这个转换是怎么操作的呢？现在的主流思想是这样子的，设计一个面向Java语言特性的虚拟机，并通过编译器将Java语言转换成虚拟机所能识别的指令序列，也就是Java字节码。（补充：之所以取名java字节码是因为字节码指令的操作码被固定为一个字节）。
举例来说，下图中的中间列，正是Java写的HelloWorld程序编译而成的字节码。我们也可以将反汇编成人类可轻松认识的代码程序。
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我们所熟悉的Java虚拟机是可以由硬件来实现的，也可以有软件来实现。更为常见的是在现有的个OS（windows，mac，linux等）上提供软件实现。这么做的意义是一旦一个java程序被编程成字节码，那么这个字节码便可以在任何一个装有jvm软件的平台上运行（在不同平台的jvm软件中运行）。这也成就了Java语言的：一处编写，到处运行
虚拟机的另外一个好处是，它带来了一个托管环境。这个托管环境可以代替我们处理一些冗长的、而且容易出错的部分。其中最广为人知的便是：自动内容管理 与 垃圾回收。初次之外，这一托管环境还提供了：数组越界、动态类型、安全权限等动态检测，使我们免于书写这些无关业务逻辑的代码。
Java虚拟机是怎样运行java字节码的
下面以标准的Java虚拟机HotSpot虚拟机为例，从虚拟机以及底层硬件两个角度，来看下具体的运行机制。
从虚拟机的角度，执行Java代码首先需要将它编译成字节码文件（.class），然后将字节码文件加载到虚拟机中。加载后的Java类会被存放于方法区（Method Area）中，实际运行时虚拟机会执行方法区中的代码。
如果了解过X86的话，会发现这个跟其中的段式内存管理中的代码端有些相似。而且，JVM同样将内存划分为堆和栈来存储运行时数据。不同的是，JVM会将方法去细分为面向Java方法的Java方法栈以及面向本地方法（用C++写的native方法）的本地方法栈，以及存放各个线程执行位置的PC寄存器。
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在运行过程中，每当调用进入一个Java方法，JVM会在当前线程的Java方法栈中生成一个栈帧，用来存放局部变量以及以及字节码的操作数。这个栈帧的大小是提前计算好的，而且Java虚拟机不要求栈帧在内存中必须连续分布。
当退出当前执行的方法时，JVM不管是正常技术还是异常接触，都会从Java方法栈中弹出当前现成的当前栈帧，将之舍弃。
从硬件角度，java字节码是无法直接执行的。因此，JVM还是需要将字节码翻译成机器码的，这点与C++语言是一样的，因为对于机器还说，他能识别的只有机器码，不认识什么java、c++、Python、SQL……等等，这点其实很好理解，因为想要识别这些那OS必须适配这些语言，有OS翻译成机器码，或者硬件本身就适配，适配一两种倒还好，但是编程语言我们也知道有那么多，而且迭代那么快，硬件就在想：“MD，这么多，我肯定适配不过来的，算了，我还是只人我的机器码，让他们适配我”。
在HotSpot中上述翻译的过程有两种：
第一种是解释执行，即逐条将字节码翻译成机器码并执行。
第二种是即时编译（JIT），即将一个方法中所有的字节码全部翻译成机器码后在同一执行。
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前者的优势在于无需等待编译，而后者的优势值运行速度更快。HotSpot模式采用的是混合模式，综合了解释执行器和即时编译器的有点。它会先解释执行字节码，然后会将其中多次被执行的热点代码，以方法为单位进行即时编译。
Java虚拟机的运行效率究竟是怎样的？
HotSpot采用多种技术来提升启动性能及峰值性能，上面提到的即时编译正式其中最重要的技术之一。
即使编译建立在程序符合二八定律的假设上，即20%的代码占据了80%的计算资源。
对于占据大部分的不常用代码，我们不需要将其编译成机器码，而是采用解释执行的方式运行；另一方面，对于近占据小部分的热点代码，可以将其编译成机器码，以达到理想的运行速度。
为了满足不同用户场景的需求，HotSpot内置了多个即时编译器：C1，C2和Graal。Graal是Java10引入的实验性即使编译器，这里主要看C1、C2即时编译器。
之所以引入多个编译器，是为了在编译时间和生成代码的执行效率之间作取舍。
C1又叫做Client编译器，面向的是对启动性能有要的客户端GUI程序，采取的手短相对简单，因为执行时间较短。
C2又叫做Server编译器，面向的是对峰值性能有要求的服务端程序，采用的优化手段相对复杂，因此编译时间相对较长，但同时生产代码的执行效率较高。
从Java7开始，HotSpot默认采用分层编译的方式：热点方法首先会被C1编译，而后热点方法中的热点会被C2编译。
为了不干扰程序的正常运行，HotSpot的即时编译过程是放在额外的编译线程中进行的。HotSpot会根据CPU的数量设置编译线程的数量，并且按照1：2的比例分配给C1、C2编译器。
在计算资源充足的情况下，字节码的解释执行和即时编译可同时进行。编译完成的机器码会在下次调用该方法是启动，以替换原本的解释执行。
总结
Java程序之所以要在JVM中运行，主要是因为JVM赋能了Java的可移植性。
Java虚拟机将运行时内存区域划分为5个部分：方法区、java堆、java方法栈、本地方法栈、PC寄存器/程序计数器。Java程序编译成.class字节码文件后先要加载到运行时内存区的方法区，方能在JVM运行。
为了提高运行效率，标准HotSpot采用的是一种混合执行的策略（解释执行 + 即时编译）。
HotSpot装载了多个即时编译器，以便在编译时间和生成代码的执行效率之间作取舍。
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