Java虚拟机（JVM）及Java跨平台原理

在 Java 语言白皮书上面有这样一段话：Java 是一种简单的，面向对象的，适用于网络应用的，平台无关的，解释的，健壮的，安全的，结构自然的，可移植的，高性能的，多线程的，动态的语言。

就单从平台无关这一点上面来说，就已经超越 C/C++ 一大截了。就比如说我们在 Windows 下面写出来的一段 Java 程序，换成 Linux，macOS 系统里面，一样可以正常运行并且输出相同的结果，但是这一点，换成 C/C++ 却很难办到。那么跨平台的特性，就是 JVM 决定的了。

JVM 的专业解释如下：

Java 虚拟机（Java Virtual Machine，简称 JVM）是一种用于计算设备的规范，它是一个虚构出来的计算机，是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。Java 虚拟机包括一套字节码指令集、一组寄存器、一个栈、一个垃圾回收堆和一个存储方法域。JVM 屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息，使 Java 程序只需生成在 Java 虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可以在多种平台上不加修改地运行。JVM 在执行字节码时，实际上最终还是把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。

上面的解释看不懂也比较正常，本来不想把专业解释放上来的，想了想还是算了，毕竟还是要让大家对 JVM 有一点详细的认识。如果看不懂专业解释的话，我就用大白话给大家说：

JVM，也就是 Java 虚拟机，就是一个平台，包含于 JRE 的下面。当你需要执行某个 Java 程序时，由 JVM 帮你进行编译和执行。我们编写的 Java 源码，编译后会生成一种 .class 文件，称为字节码文件。Java 虚拟机就是负责将字节码文件翻译成特定平台下的机器码然后运行。

而且，如图 1 所示，JVM 分为很多个系统版本的，你编写好的 Java 程序，无论到哪个平台上，Windows 也好，Linux 也好，macOS 也好，只需要找到 JVM，便可以成功编译和执行。也就是说，只要在不同平台上安装对应的 JVM，就可以运行字节码文件，运行我们编写的 Java 程序。所以这也就是 Java 跨平台性良好，平台无关特性的来历。

而这个过程中，我们编写的 Java 程序没有做任何改变，仅仅是通过 JVM 这一”中间层“，就能在不同平台上运行，真正实现了”一次编译，到处运行“的目的。

JVM 是一个“桥梁”，是一个“中间件”，是实现跨平台的关键，Java 代码首先被编译成字节码文件，再由 JVM 将字节码文件翻译成机器语言，从而达到运行 Java 程序的目的。

注意：编译的结果不是生成机器码，而是生成字节码，字节码不能直接运行，必须通过 JVM 翻译成机器码才能运行。不同平台下编译生成的字节码是一样的，但是由 JVM 翻译成的机器码却不一样。

所以，运行 Java 程序必须有 JVM 的支持，因为编译的结果不是机器码，必须要经过 JVM 的再次翻译才能执行。即使你将 Java 程序打包成可执行文件（例如 .exe），仍然需要JVM的支持。

注意：跨平台的是 Java 程序，不是 JVM。JVM 是用 C/C++ 开发的，是编译后的机器码，不能跨平台，不同平台下需要安装不同版本的 JVM。 

图 1  JVM 实现跨平台

关于JVM的执行效率

Java 推出的前几年，人们有不同的看法，解释字节码肯定比全速运行机器码慢很多，牺牲性能换来跨平台的优势是否值得？

然而，JVM 有一个选项，可以将使用最频繁的字节码翻译成机器码并保存，这一过程被称为即时编译。这种方式确实很有效，致使微软的 .NET 平台也使用了虚拟机。

现在的即时编译器已经相当出色，甚至成了传统编译器的竞争对手，某些情况下甚至超过了传统编译器，原因是 JVM 可以监控运行时信息。例如，即时编译器可以监控使用频率高的代码并进行优化，可以消除函数调用（即“内嵌”）。

但是，Java 毕竟有一些 C/C++ 没有的额外的开销，关键应用程序速度较慢。比如 Java 采用了与平台无关的绘图方式，GUI 程序（客户端程序）执行要慢；虚拟机启动也需要时间。

客户端市场的折戟

Java 的 GUI 库称不上出色，界面不算友好，大部分用户不太习惯；Java 的客户端资源消耗也比较大，大数据量的应用和功能复杂的应用性能堪忧。

更加不能接受的是，微软因自身利益和 SUN 分家后，Windows  便不再预装 JVM 了，用户安装你的程序之前，必须要安装 JVM 并正确设置，你可以要求普通用户安装你的软件，但是你能期望他了解 JVM 的有关知识并正确安装设置吗？

虽然你可以将 JVM 集成在你的程序中，自动安装并设置，不让用户干预，但是你希望附带一个比你的程序还要大好多的 JVM 吗？一个软件这样做或许可以接受，成千上万个软件都这样做，那用户要安装多少个 JVM？磁盘空间要浪费多少？

所以，直接投放市场的面向普通用户的客户端程序，用 Java 开发的很少，大部分 Java 开发的客户端是给企业内部员工使用，员工领到电脑时，技术部已经给配置好了。如果你希望从事客户端开发，建议学习 C/C++ 和 .NET，它们在 Window 客户端开发方面有较大的优势。

种种原因，注定了 Java 客户端不利于推向市场，让普通用户接受。不过话又说回来，客户端开发也不是 Java 的初衷，Java 最初是面向嵌入式的，却随着互联网的兴起而快速成长，在 Web 开发上大显身手。