JVM是如何执行Java程序的（串联JVM面试题）

前言

如果你对JVM一知半解，如果你想了解JVM的工作流程，如果你知道一些JVM面试题却无法将知识点串联起来，那么这篇文章非常适合你。

从面试题说起

这些面试题Javaer们应该都很熟悉，但是你知道这些面试题的背后吗？

• 你知道类加载机制吗？
• 什么是双亲委派机制？
• 介绍一下JVM内存区域划分
• 堆为什么要分代设计？
• 什么是内存的担保机制？
• 为什么Eden：S0：S1 比例是8：1：1？
• 描述一下对象内存分配过程
• 如何判断对象已死？
• 讲一讲内存模型？
• 常用的JVM调优参数有哪些？
• 常用的垃圾回收算法有哪些？
• 常用的垃圾收集器有哪些？
• ......

如果你总是背了又忘，忘了又背，归根结底，还是对JVM没有一个系统的认识。

那么希望通过这篇文章，可以为你构建一个连贯的JVM框架。

JVM做了哪些事？

众所周知，高级编程语言编写的程序，最终要转化为机器码，才可以在计算机上运行。

我们在编写完一段Java代码后，如果想要运行它，需要通过Java编译器，将其编译为JVM认识的字节码文件。

然后执行Java命令，这段代码就会通过JVM运行。

“翻译”的工作

在这个过程中，JVM就充当了转换的角色，负责将字节码，翻译成对应平台上的机器指令。这样的话，Java程序就可以在任何安装了JVM的平台上运行。这就是Java语言一次编写到处运行的跨平台特性。

翻译字节码的工作，是由JVM的执行引擎完成。

不仅仅“翻译”

在将字节码翻译为机器指令之前，JVM还有一个非常重要的工作，那就是将字节码文件中的二进制数据准确的加载到JVM中。这个工作是由JVM的类加载系统完成，

另外，为了在运行时方便管理内存，JVM定义了一个专门的区域，也就是大名鼎鼎的运行时数据区。

所以，类加载系统、运行时数据区、执行引擎，就构成了JVM平台。

接下来，看一下它们是如何工作的。

在这之前，要对字节码现有一个认识，毕竟它贯穿了Java代码运行的整个流程。

Java虚拟机对Java编程语言一无所知，只知道一种特定的二进制格式，即类文件格式。类文件包含Java虚拟机指令（或字节码）和符号表，以及其他辅助信息。

JVM 各部件如何协同工作？

类加载器先工作

类加载系统目的很明确，就是将字节码文件中的二进制数据准确地加载到JVM，从Class文件加载到内存 & 对数据进行校验、转换解析和初始化，最终形成可被虚拟机直接使用的Java使用类型

执行Java命令后，Java虚拟机启动，类加载系统就开始工作了。

类加载系统首先会读取指定的类文件，并遵循双亲委派机制进行加载。

然后将文件中的常量池、字段、方法和指令等数据加载到JVM内存的共享区域方法区中。

然后对其进行验证，目的是为了确保类的正确性。比如版本号为52或更高时，不应该存在这个版本不支持的指令。

或者标识类文件的魔术数字是不是cafebabe，这些完整性的检查和约束都是非常有必要，就像我们自己开发的应用，也不可能随便让别人访问一样。

验证完成后，在方法区为类的静态变量分配内存并设置默认值。

紧接着，将常量池中表示对象的符号引用，指向到实际的内存地址，也就是直接引用。

什么是符号引用呢？

符号引用是常量池中的类、方法、字段等指向的目标在字节码文件中的静态表示，当JVM运行时，需要将目标的静态表示转换成实际的内存指针，也就是直接引用。

在这个例子中，如果JVM需要加载Object这个类，它会查找常量池中的#3（Class类型，指向#27），然后解析#27中的字符串java/lang/Object/为实际的类文件路径，并加载这个类。

最后执行静态代码块，为静态变量设置初始值，类加载工作就算完成了。

整个加载过程就是面试被经常问到的类加载机制。

那么问题来了：静态变量为什么要先设置默认值，再设置初始值，知道的评论区留言。

执行引擎开始工作

执行引擎工作模式

静态代码块被执行时，执行引擎就会处理这些指令。执行引擎有两种工作模式：

• 解释执行
• 即时编译

解释执行就是每次执行都会逐行解释字节码指令

即时编译是将热点代码，编译成当前平台的机器码，并缓存下次就可以直接执行机器码，这样就可以提高执行效率。

JVM通常采用解释器与即时编译器并存的混合模式。在程序启动时，解释器可以立即发挥作用，省去编译时间；随着程序运行时间的推移，JIT编译器逐渐发挥作用，将越来越多的热点代码编译为本地机器码，以提高执行效率。

Main方法什么时候被执行？

静态代码块执行完成后，JVM会继续调用main方法。如果执行Java命令的字节码文件中没有main方法，JVM就会报错，这个是JVM规范。

运行时数据区域开始工作

执行引擎工作期间，会和运行时数据区域有大量的交互。

线程私有的空间

调用main方法时，会创建一个线程并在运行时数据区中分配线程私有的空间：栈帧以及程序计数器。

程序计数器初始时会指向第一条指令， 然后随着指令的执行而递增。

执行静态变量赋值的指令时，会把整数推送到栈帧中的操作数栈，随后赋值给静态变量。

在执行创建一个Object实例的指令时，如果Object Class未被加载，类加载器会启动加载过程。

然后在堆中分配一块内存并初始化实例。

大名鼎鼎的堆内存

分配内存这个过程，就涉及到“堆内存分代设计”、“对象内存分配过程”、“内存分配方式”等知识点了。

如果对象过多导致空间不足，JVM就会通过垃圾回收来释放一些空间。“如何确定对象是垃圾”、“使用哪个垃圾回收器”、“用了什么回收算法”就需要我们去了解。

实例初始化后，会将对象的引用存储到局部变量表中。这样的话，线程就可以通过引用访问到该对象。

就这么一直工作

后续的代码会延续这个流程，该加载类的加载类、该翻译指令的翻译、该分配内存的分配、该回收垃圾的回收，直到Java虚拟机停止工作。