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本文主要介绍了JVM内存模型及JAVA程序运行原理。

作者 | 金峰(项良)

来源 | 阿里开发者公众号

一、JAVA语言的特点

在进入正题之前，先问一个老生常谈的问题，相较于C，JAVA语言的优势是什么？相信学过JAVA的人都知道，无论是大学时的第一堂课还是JAVA相关书籍的第一章也都会讲到：一次编写、到处运行；真正意义上的实现了跨平台。

那再问一个问题，为什么Java可以跨平台？

大多数人都知道Java可以跨平台得益于 JVM（java虚拟机）。

在这之前，我了解到的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？

“一次编译，到处运行” 是Java的跨平台特性。像 C 、C++ 这样的编程语言没有它。

通过下面的介绍，相信你会有一个进一步的了解。

Java是一种可以跨平台的编程语言。首先，我们需要知道什么是平台。我们把CPU处理器与操作系统的整体叫平台。

CPU相当于计算机的大脑，指令集是CPU中用来计算和控制计算机系统的一套指令的集合。

指令集分为精简指令集（RISC）和复杂指令集（CISC）。每个CPU都有自己的特定指令集。

要开发一个程序，我们必须首先知道程序运行在什么CPU上，也就是说，我们必须知道CPU使用的指令集。

操作系统是用户与计算机之间的接口软件。不同的操作系统支持不同的CPU。严格来说，不同的操作系统支持不同的CPU指令集。但问题是，原来的Mac操作系统只支持PowerPC，不能安装在英特尔上。我们该怎么办？因此，苹果必须重写其Mac操作系统来支持这一变化。最后，我们应该知道不同的操作系统支持不同的CPU指令集。现在windows、Linux、MAC和Solaris都支持Intel和AMD CPU指令集。

如果你想开发一个程序，首先应该确定：

• CPU类型，即指令集类型；
• 操作系统；我们称之为软硬件平台的结合。也可以说“平台=CPU+OS”。而且由于主流操作系统支持主流CPU，有时操作系统也被称为平台。

二、如何实现跨平台

通常，我们编写的Java源代码在编译后会生成一个Class文件，称为字节码文件。Java虚拟机负责将字节码文件翻译成特定平台下的机器代码，然后运行。简言之，java的跨平台就是因为不同版本的 JVM。换句话说，只要在不同的平台上安装相应的JVM，就可以运行字节码文件（.class）并运行我们编写的Java程序。在这个过程中，我们编写的Java程序没有做任何改动，只是通过JVM的“中间层”，就可以在不同的平台上运行，真正实现了“一次编译，到处运行”的目的。

JVM是跨平台的桥梁和中间件，是实现跨平台的关键。首先将Java代码编译成字节码文件，然后通过JVM将其翻译成机器语言，从而达到运行Java程序的目的。因此，运行Java程序必须有JVM的支持，因为编译的结果不是机器代码，必须在执行前由JVM再次翻译。即使您将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代码，而是生成字节码。字节码不能直接运行，必须由JVM转换成机器码。编译生成的字节码在不同的平台上是相同的，但是JVM翻译的机器码是不同的。

三、JVM简介

JVM------Java Virtual Machine.JVM是Java平台的基础，与实际机器一样，他有自己的指令集（类似CPU通过指令操作程序运行），并在运行时操作不同的内存区域（JVM内存体系）。Java虚拟机位于操作系统之上（如下图所示），将通过JAVAC命令编译后的字节码加载到其内存区域，通过解释器将字节码翻译成CPU能识别的机器码行。每一条Java指令，Java虚拟机规范中都有详细定义，如怎么取操作数，怎么处理操作数，处理结果放在哪里。

JVM是运行在操作系统之上的，它与硬件没有直接交互。

四、JVM的内存结构

JAVA源代码文件通过编译后变成虚拟机可以识别的字节码，JAVA程序在执行时，会通过类加载器把字节码加载到虚拟机的内存中（虚拟机的内存是一个逻辑概念，相当于是对主内存的一个抽象，实际上真实的数据还是存放在主存中），详见下图。

Java 虚拟机在执行 Java 程序的过程中会把它管理的内存划分为若干个不同的数据区域。每个区域都有各自的作用。

分析 JVM 内存结构，主要就是分析JVM 运行时数据存储区域。JVM 的运行时数据区主要包括：堆、栈、方法区、程序计数器等。而 JVM 的优化问题主要在线程共享的数据区中：堆、方法区。

4.1、方法区

又称非堆（non-heap），方法区用于存储已被虚拟机加载的类信息，常量、静态变量，即时编译后的代码等数据。方法区中最著名的就是CLASS对象，CLASS对象中存放了类的元数据信息，包括：类的名称、类的加载器、类的方法、类的注解等。

当我们new一个新对象或者引用静态成员变量时，Java虚拟机(JVM)中的类加载器子系统会将对应Class对象加载到JVM中，然后JVM再根据这个类型信息相关的Class对象创建我们需要实例对象或者提供静态变量的引用值。注意，我们定义的一个类，无论创建多少个实例对象，在JVM中都只有一个Class对象与其对应，即：在内存中每个类有且只有一个相对应的Class对象，如图：

实际上所有的类都是在对其第一次使用时动态加载到JVM中的，当程序创建第一个对类的静态成员引用时，就会加载这个被使用的类(实际上加载的就是这个类的字节码文件)。注：使用new创建类的新实例对象也会被当作对类的静态成员的引用(构造函数也是类的静态方法)

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