开发过java的人员都知道，java是一次编译，多次运行。可以在不同的操作系统上运行代码，用的就是虚拟机jvm，这个东西在jar中，也就是java 的运行环境，所以当你下载jdk的时候，会在官网上找自己需要的版本。

基本原理

      java程序经过一次编译之后，将java代码编译为字节码也就是class文件，然后在不同的操作系统上依靠不同的java虚拟机进行解释，最后再转换为不同平台的机器码，最终得到执行。那么了解了这个基本原理后，我们尝试去做更深的研究，一个普通的java程序它的执行流程到底是怎样的呢？例如我们有一个HelloWorld.java，运行流程如下。

原理图

      首先java文件被编译成class文件，然后找到\jdk1.8.0_101\jre\lib\amd64\jvm.cfg文件，拿到具体的配置信息。接着jdk1.8.0_101\jre\bin\server\jvm.dll就会对jvm进行初始化，所以说jvm.dll是jvm的具体实现。接下来，jvm会获取JNI接口，JNI就是java的本地接口，跟你的硬件、操作系统交互用的，比如说，把文件从硬盘上扔到内存中就是JNI干的。最后，找到main方法，你的程序就可以跑起来了。

      好了，现在知道了jvm的运行原理，下面看一下jvm的内部结构，如下图

jvm内部结构图

      JVM内存空间包含：方法区、java堆、java栈、本地方法栈。

      方法区是各个线程共享的区域，存放类信息、常量、静态变量。

      java堆也是线程共享的区域，我们的类的实例（对象）就放在这个区域，可以想象你的一个系统会产生很多实例，因此java堆的空间也是最大的。如果java堆空间不足了，程序会抛出OutOfMemoryError异常。

      java栈是每个线程私有的区域，它的生命周期与线程相同，一个线程对应一个java栈，每执行一个方法就会往栈中压入一个元素，这个元素叫“栈帧”，而栈帧中包括了方法中的局部变量、用于存放中间状态值的操作栈，这里面有很多细节，我们以后再讲。如果java栈空间不足了，程序会抛出StackOverflowError异常，想一想什么情况下会容易产生这个错误，对，递归，递归如果深度很深，就会执行大量的方法，方法越多java栈的占用空间越大。

      本地方法栈角色和java栈类似，只不过它是用来表示执行本地方法的，本地方法栈存放的方法调用本地方法接口，最终调用本地方法库，实现与操作系统、硬件交互的目的。

      PC寄存器，说到这里我们的类已经加载了，实例对象、方法、静态变量都去了自己改去的地方，那么问题来了，程序该怎么执行，哪个方法先执行，哪个方法后执行，这些指令执行的顺序就是PC寄存器在管，它的作用就是控制程序指令的执行顺序。

      执行引擎当然就是根据PC寄存器调配的指令顺序，依次执行程序指令。

线程通讯

      上节我们知道了jvm运行原理和内部结构，现在看下内部运行模型，线程通信。

线程通讯

      线程1（在栈中）将数据写给主内存（堆），然后线程2再从主内存中读到信息。主内存与工作内存的交互，则需要Java内存模型（JMM）来管理器。当然为了信息的实时更新，java中提供了volatile关键词。

指令重排

public void writer() {
    a = 1;
    flag = true;
}

      有个这样的问题，以上这段代码执行顺序是 a=1 先还是 flag=true呢。你可能说我是傻子，但是运行可能是flag = true；先执行哦，这就涉及指令重排的问题。两个赋值语句尽管他们的代码顺序是一前一后，但真正执行时却不一定按照代码顺序执行。你可能会说，有这个指令重排序那不是乱套了吗？我写的程序都不按我的代码流程走，这怎么玩？这个你可以放心，你的程序不会乱套，因为java和CPU、内存之间都有一套严格的指令重排序规则，哪些可以重排，哪些不能重排都有规矩的。这里就不展开说了。

类加载器原理

      还有最后一个问题，字节码文件是怎样装载到JVM中的呢？

类加载器原理

      加载是类装载的第一步，首先通过class文件的路径读取到二进制流，并解析二进制流将里面的元数据（类型、常量等）载入到方法区，在java堆中生成对应的java.lang.Class对象。

      验证的主要目的就是判断class文件的合法性，比如class文件一定是以0xCAFEBABE开头的，另外对版本号也会做验证，例如如果使用java1.8编译后的class文件要再java1.6虚拟机上运行，因为版本问题就会验证不通过。

      准备过程就是分配内存，给类的一些字段设置初始值，例如：public static int v=1;这段代码在准备阶段v的值就会被初始化为0，只有到后面类初始化阶段时才会被设置为1。但是对于static final（常量），在准备阶段就会被设置成指定的值，例如：public static final int v=1;这段代码在准备阶段v的值就是1。

      解析过程就是将符号引用替换为直接引用，例如某个类继承java.lang.object，原来的符号引用记录的是“java.lang.object”这个符号，凭借这个符号并不能找到java.lang.object这个对象在哪里？而直接引用就是要找到java.lang.object所在的内存地址，建立直接引用关系，这样就方便查询到具体对象。

      初始化过程，主要包括执行类构造方法、static变量赋值语句，staic{}语句块，需要注意的是如果一个子类进行初始化，那么它会事先初始化其父类，保证父类在子类之前被初始化。所以其实在java中初始化一个类，那么必然是先初始化java.lang.Object，因为所有的java类都继承自java.lang.Object。

      类加载器ClassLoader，它是一个抽象类，ClassLoader的具体实例负责把java字节码读取到JVM当中，ClassLoader还可以定制以满足不同字节码流的加载方式，比如从网络加载、从文件加载。ClassLoader的负责整个类装载流程中的“加载”阶段。