JVM (Java虚拟机) 跨平台原理

引言

今天遇到一个提问：java为什么能跨平台？

大部分人都知道 java能跨平台得益于 JVM（java虚拟机）。

在这之前，我所了解的java跨平台得益于不同版本的jvm，那么它的底层原理是什么呢？

通过这篇博客，相信你会有进一步的认识。

“一次编译，到处运行” 这是java的跨平台特性，像 C 、C++ 等编程语言是没有的。

当然除此之外，我还在 学习 docker的时候听过这句话。

什么是平台？

Java是可以跨平台的编程语言，那我们首先得知道什么是平台，我们把CPU处理器与操作系统的整体叫平台。

CPU大家都知道，如果计算机是人,那CPU就是人的大脑，它既负责思维运算，又负责身体各部件的命令控制。CPU的种类很多，除去我们熟知的Intel与AMD外，还有比如上面说到的SUN的Sparc,比如IBM的PowerPC等等，这些各个公司生产的CPU使用的指令集有所不同。

指令集就是cpu中用来计算和控制计算机系统的一套指令的集合。

指令集又分为精简指令集（RISC）与复杂指令集(CISC)，每种cpu都有其特定的指令集。

开发程序，首先要知道该程序在什么CPU上运行,也就是要知道CPU所使用的指令集。

操作系统是充当用户和计算机之间交互的界面软件，不同的操作系统支持不同的CPU，严格意义上说是不同的操作系统支持不同CPU的指令集。例如windows和liunx都支持Intel和AMD的复杂指令集，但并不支持PowerPC所使用的精简指令集，而早期的MAC电脑使用的是PowerPC处理器，所以也就无法在MAC下直接安装windows,直到05年MAC改用了Intel的CPU,才使在MAC下安装windows成为可能。但问题来了，原来的MAC操作系统也只支持PowerPC,在Intel上也不能安装，怎么办？所以苹果公司也得重写自己的MAC操作系统以支持这种变化。最后总结下，我们要知道，不同的操作系统支持不同的CPU指令集，现在的windows,liunx,mac,solaris都支持Intel与AMD的CPU指令集。

如果你要开发程序，首先应该确定：

1.CPU类型，也就是指令集类型；2.操作系统；我们把这种软硬件的结合叫平台。也可以说“平台= CPU+OS”。又因为现在主流的操作系统都支持主流的CPU，所以有时也把操作系统称为平台

JVM结构图

Java源码编译机制

Java源代码是不能被机器识别的，需要先经过编译器编译成JVM可以执行的.class字节码文件，再由解释器解释运行。

即：Java源文件（.java） -- Java编译器 --> Java字节码文件 （.class） -- Java解释器 --> 执行。

流程图如下：

字节码文件（.class）是平台无关的。

Java中字符只以一种形式存在：Unicode。字符转换发生在JVM和OS交界处（Reader/Writer）。

最后生成的class文件由以下部分组成：

• 结构信息。包括class文件格式版本号及各部分的数量与大小的信息
• 元数据。对应于Java源码中声明与常量的信息。包含类/继承的超类/实现的接口的声明信息、域与方法声明信息和常量池
• 方法信息。对应Java源码中语句和表达式对应的信息。包含字节码、异常处理器表、求值栈与局部变量区大小、求值栈的类型记录、调试符号信息

如何实现跨平台？

通常，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。简单来说，java的跨平台就是因为不同版本的JVM。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（.class），运行我们编写的Java程序。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。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：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。

JVM、JDK、JRE的区别

JVM------Java Virtual Machine.JVM是Java平台的基础，和实际的机器一样，它也有自己的指令集，并且在运行时操作不同的内存区域，它相当于是一个独立工作的机器，JVM的主要工作是解释自己的指令集（即字节码）到CPU的指令集或对应的系统调用，保护用户免被恶意程序骚扰。JVM对上层的Java源文件是不关心的，它关注的只是由源文件生成的类文件（.class文件）。

JRE----java runtime environment.光有JVM还不能让class文件执行，因为在解释class的时候JVM需要调用解释所需要的类库lib。在JDK的安装目录里你可以找到jre目录，里面有两个文件夹bin和lib,在这里可以认为bin里的就是jvm，lib中则是jvm工作所需要的类库，而jvm和lib和起来就称为jre.

JDK---java development kit.

JDK的安装目录：

bin:最主要的是编译器(javac.exe)

include:java和JVM交互用的头文件

lib：类库

jre:java运行环境

JDK是用于java程序的开发,而jre则是只能运行class而没有编译的功能。