【JVM】基础概念之为什么要使用JVM

1. 为什么要使用JVM

我们知道，Java语言具有“一次编译到处运行”的特性，那它是如何做到这一点的呢？就是借助JVM（Java Vritual Machine）来实现的

具体来说，程序员写的Java源代码（.java文件）经过javac编译器编译后会生成一份字节码文件（.class文件）；字节码是一种中间代码（并非操作系统可以直接理解的机器码），它包含着JVM能理解的指令集；而JVM呢，可以执行这些指令集，也就是将这些指令转为机器码，这样操作系统能看懂了，就可以真正地运行这个程序

换句话讲，JVM就是在字节码和机器码之间做一个翻译的工作，不同平台的机器码存在区别，JVM存在适配不同平台的版本来解析字节码（生成的字节码都是相同的）；正是因为所有平台的JVM都能解读同一份字节码，所以开发者只需编译一次就能在任何安装了JVM的平台上运行，这也就是“一次编译，到处运行”的本质

现在，我们回到最初的问题，为什么要使用JVM？因为它可以帮我们实现从字节码到机器码的平稳落地，保障Java跨平台的特性。此外，JVM内部还封装了内存自动管理、字节码校验、即使编译等底层细节，大大降低了程序员开发的成本，只需要专注于业务逻辑即可，这也是JVM不可获取的重要原因

2. 类加载

前面我们聊到，Java 源代码编译成字节码（.class 文件）后，JVM 会负责将字节码翻译成机器码，最终让程序跑起来。但这里有个关键问题：这些字节码文件是怎么进入 JVM 的？JVM 又是如何 “认识” 这些字节码里的类、方法和变量的？

这就涉及到JVM的另一个核心过程——类加载
简单来说，类加载就是JVM把字节码文件“读进来”，并转换成可以在内存中直接使用的类对象的过程

那它具体做了什么呢？大致可以分为以下三个部分

2.1 加载

加载，就是通过类全限定名（包名+类名）找到.class文件，读取对应的字节流

听起来有点抽象，我们来类比一下

你想要读一本电子书，首先你得找到这本书吧，根据什么找呢？书名。在JVM里面我们使用类全限定名来找，找到之后呢？你要是想读得下载下来吧，这就是读取对应的字节流

2.2 链接

链接过程中做了三件事
①验证字节码合法性
②为静态变量分配内存并设置默认值
③将符号引用（方法名）转换为直接引用（内存地址）

还是拿上面的例子，电子书下载完成，首先要看一下下得对不对，别想看A下成B了，或者想下pdf下成word了，或者本来是UTF-8编码的下载后成Unicode了等等；其次呢，就像一些电子书的“预制标签”，在没真正打开书之前，这些标签只是文字符号，不知道具体对应哪一页，需要先预留一部分空间来存储这些内容；接下来就需要把它们转换成实际的页码，这样你点的时候才能跳转到指定位置

2.3 初始化

执行静态代码块和静态变量的赋值操作，初始化遵循“父类优先于子类”，“静态代码块按定义顺序执行”的原则

也就是打开下载好的电子书之前，里面的内容需要先加载出来，比如书里的 “前言固定说明”（类似静态变量的显式赋值）和 “开篇必读提示”（类似静态代码块），得先按规则准备好，才能让读者翻开时看到完整内容

上述类加载的过程呢，在JVM中是通过类加载器来实现的，在这里就有一个非常经典的模型——双亲委派模型

2.4 双亲委派模型

它描述了类加载过程中，根据全限定名找到.class文件的过程，准确来说应该是“单亲委派模型”或者“父亲委派模型”

在双亲委派模型（Parent Delegation Model）中，最核心的三个类（更准确地说是 “类加载器”）是启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）、扩展类加载器（Extension ClassLoader）、应用程序类加载器（Application ClassLoader）。它们构成了 Java 默认的类加载器层次结构，负责按规则加载不同来源的类

双亲委派模型的过程：

1. 进行类加载，通过全限定类名找.class的时候，就会从ApplicationClassLoader开始，把加载类这样的任务委托给父亲进行，ExtensionClassLoader也不会立即进行查找，也是委托给父亲进行，BootstrapClassLoader只能自行进行类加载，根据类名，在标准库范围查看是否存在匹配的.class文件
2. 如果BootstrapClassLoader没有找到，会把任务还给ExtensionClassLoader来查找.class文件，找到就正常加载，没找到也把任务还给ApplicationClassLoader，如果它也没找到.class文件，就抛出异常

形象一点来说 ，一个类要想被加载，先给你，你给你爸，你爸给你爷；爷爷没找到，还给爸爸，爸爸也没找到，还给你，你要是也没找到，抛异常

这样的类加载模型目的是约定优先级，收到一个类名后，先在标准库中找，再到扩展库中找，最后才是第三方库找

3. 执行字节码

JVM执行字节码的方式主要有两种：解释执行和即时编译

3.1 解释执行

通过解释器逐行翻译字节码为机器码并执行
好处在于这样启动会很快，不需要预热，适合冷启动或低频执行的代码
缺点是逐行解释的效率较低，对于高频执行的程序如果每次执行都要逐行解释效率会非常低

3.2 即时编译

为了解决解释执行的性能问题，JVM引入了即时编辑器（JIT），对热点代码（比如高频调用的方法、循环体）进行优化编译

如何判断一个方法是不是热点代码呢？JVM为每个方法维护两个计数器（在方法区的类信心中），共同决定是否为热点：

1. 方法调用计数器：统计每个方法被调用的次数，被调用一次计数器+1，默认情况下计数达到10000次会触发JIT编译。这里还有一个特殊机制，计数器会定时衰减，每隔一段时间计数器值减半，来避免曾经高频但是现在低频的方法一直被视为热点
2. 循环回边计数器：统计循环体的执行次数，每次循环执行到汇编指令计数器+1

如果方法包含循环，循环回边计数器同步累加，当“调用计数+回边计数”达标时，提前触发JIT编译

当代码被标记为热点代码时，JIT编译器直接将热点代码的字节码编译为本地机器码，并缓存到内存中

这一过程常用的优化手段有：常量折叠（1+2编译为3）、循环展开（减少循环跳转开销）、、逃逸分析（判断对象是否可栈上分配，减少GC压力 ）

后续再次调用该热点代码时，JVM直接执行缓存的机器码，跳过解释过程，大幅提升效率

ok，下一节我们来介绍一个重头戏——垃圾回收机制