JVM粉楚、Java編譯器和Java解釋器

java解釋器就是把在java虛擬機上運行的目標代碼（字節(jié)碼）解釋成為具體平臺的機器碼的程序。即jdk或jre目錄下bin目錄中的java.exe文件抑党，而javac.exe是編譯器撵摆。

運行java程序的過程是先用javac編譯特铝，然后用java解釋壹瘟。而一經(jīng)編譯成功后稻轨，就可以直接用java.exe隨處解釋運行了。

JVM：JVM有自己完善的硬件架構(gòu)政冻，如處理器、堆棧（Stack）汽摹、寄存器等苦锨，還具有相應(yīng)的指令系統(tǒng)（字節(jié)碼就是一種指令格式）舟舒。JVM屏蔽了與具體操作系統(tǒng)平臺相關(guān)的信息，使得Java程序只需要生成在Java虛擬機上運行的目標代碼（字節(jié)碼）氏仗，就可以在多種平臺上不加修改地運行莺治。JVM是Java平臺無關(guān)的基礎(chǔ)谣旁。JVM負責(zé)運行字節(jié)碼：JVM把每一條要執(zhí)行的字節(jié)碼交給解釋器，翻譯成對應(yīng)的機器碼砌们，然后由解釋器執(zhí)行搁进。JVM解釋執(zhí)行字節(jié)碼文件就是JVM操作Java解釋器進行解釋執(zhí)行字節(jié)碼文件的過程饼问。

Java編譯器：將Java源文件（.java文件）編譯成字節(jié)碼文件（.class文件，是特殊的二進制文件峻堰，二進制字節(jié)碼文件）盅视，這種字節(jié)碼就是JVM的“機器語言”闹击。javac.exe可以簡單看成是Java編譯器。

Java解釋器：是JVM的一部分贺归。Java解釋器用來解釋執(zhí)行Java編譯器編譯后的程序。java.exe可以簡單看成是Java解釋器琼腔。

注意：通常情況下踱葛，一個平臺上的二進制可執(zhí)行文件不能在其他平臺上工作尸诽，因為此可執(zhí)行文件包含了對目標處理器的機器語言。而Class文件這種特殊的二進制文件洲赵，是可以運行在任何支持Java虛擬機的硬件平臺和操作系統(tǒng)上的商蕴！

維基百科定義：

JVM：一種能夠運行Java字節(jié)碼（Java bytecode）的虛擬機绪商。

字節(jié)碼：字節(jié)碼是已經(jīng)經(jīng)過編譯，但與特定機器碼無關(guān)腹殿，需要解釋器轉(zhuǎn)譯后才能成為機器碼的中間代碼锣尉。

Java字節(jié)碼：是Java虛擬機執(zhí)行的一種指令格式决采。

解釋器：是一種電腦程序树瞭，能夠把高級編程語言一行一行直接翻譯運行。解釋器不會一次把整個程序翻譯出來，只像一位“中間人”管行，每次運行程序時都要先轉(zhuǎn)成另一種語言再作運行捐顷，因此解釋器的程序運行速度比較緩慢雨效。它每翻譯一行程序敘述就立刻運行徽龟，然后再翻譯下一行据悔，再運行耘沼，如此不停地進行下去。它會先將源碼翻譯成另一種語言菠隆，以供多次運行而無需再經(jīng)編譯骇径。其制成品無需依賴編譯器而運行者春，程序運行速度比較快碧查。

即時編譯(Just-in-time compilation: JIT)：又叫實時編譯、及時編譯传惠。是指一種在運行時期把字節(jié)碼編譯成原生機器碼的技術(shù)稻扬，一句一句翻譯源代碼泰佳，但是會將翻譯過的代碼緩存起來以降低性能耗損逝她。這項技術(shù)是被用來改善虛擬機的性能的。

JIT編譯器是JRE的一部分近刘。原本的Java程序都是要經(jīng)過解釋執(zhí)行的，其執(zhí)行速度肯定比可執(zhí)行的二進制字節(jié)碼程序慢介劫。為了提高執(zhí)行速度座韵，引入了JIT踢京。在運行時，JIT會把翻譯過來的機器碼保存起來翔烁，以備下次使用蹬屹。而如果JIT對每條字節(jié)碼都進行編譯白华，則會負擔(dān)過重弧腥，所以，JIT只會對經(jīng)常執(zhí)行的字節(jié)碼進行編譯虾攻，如循環(huán)霎箍，高頻度使用的方法等澡为。它會以整個方法為單位，一次性將整個方法的字節(jié)碼編譯為本地機器碼媒至，然后直接運行編譯后的機器碼顶别。

二進制文件：廣義的二進制文件即為文件，由文件在外部存儲設(shè)備的存放方式為二進制而得名拒啰。狹義的二進制文件即指除文本文件以外的文件驯绎。文本文件的格式包括：ASCII、MIME谋旦、txt条篷。

一.Java源文件的編譯骗随、下載 、解釋和執(zhí)行
　　Java應(yīng)用程序的開發(fā)周期包括編譯赴叹、下載 指蚜、解釋和執(zhí)行幾個部分乞巧。Java編譯程序?qū)ava源程序翻譯為JVM可執(zhí)行的字節(jié)碼。這一編譯過程同C/C++ 的編譯有些不同摊鸡。當C編譯器編譯生成一個對象的代碼時绽媒，該代碼是為在某一特定硬件平臺運行而產(chǎn)生的。因此免猾，在編譯過程中是辕，編譯程序通過查表將所有對符號的引用轉(zhuǎn)換為特定的內(nèi)存偏移量，以保證程序運行猎提。Java編譯器卻不將對變量和方法的引用編譯為數(shù)值引用获三，也不確定程序執(zhí)行過程中的內(nèi)存布局，而是將這些符號引用信息保留在字節(jié)碼中锨苏，由解釋器在運行過程中創(chuàng)立內(nèi)存布局疙教，然后再通過查表來確定一個方法所在的地址。這樣就有效的保證了Java的可移植性和安全性伞租。
　　
　　運行JVM字節(jié)碼的工作是由解釋器來完成的贞谓。解釋執(zhí)行過程分三部進行：代碼的裝入、代碼的校驗和代碼的執(zhí)行葵诈。裝入代碼的工作由"類裝載器"（class loader）完成裸弦。類裝載器負責(zé)裝入運行一個程序需要的所有代碼，這也包括程序代碼中的類所繼承的類和被其調(diào)用的類作喘。當類裝載器裝入一個類時理疙，該類被放在自己的名字空間中。除了通過符號引用自己名字空間以外的類徊都，類之間沒有其他辦法可以影響其他類沪斟。在本臺計算機上的所有類都在同一地址空間內(nèi)，而所有從外部引進的類暇矫，都有一個自己獨立的名字空間主之。這使得本地類通過共享相同的名字空間獲得較高的運行效率，同時又保證它們與從外部引進的類不會相互影響李根。當裝入了運行程序需要的所有類后槽奕，解釋器便可確定整個可執(zhí)行程序的內(nèi)存布局。解釋器為符號引用同特定的地址空間建立對應(yīng)關(guān)系及查詢表房轿。通過在這一階段確定代碼的內(nèi)存布局粤攒，Java很好地解決了由超類改變而使子類崩潰的問題所森，同時也防止了代碼對地址的非法訪問。
　　
　　隨后夯接，被裝入的代碼由字節(jié)碼校驗器進行檢查焕济。校驗器可發(fā)現(xiàn)操作數(shù)棧溢出，非法數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)化等多種錯誤盔几。通過校驗后晴弃，代碼便開始執(zhí)行了。
　　
　　Java字節(jié)碼的執(zhí)行有兩種方式：
　　1.即時編譯方式：解釋器先將字節(jié)碼編譯成機器碼逊拍，然后再執(zhí)行該機器碼上鞠。
　　2.解釋執(zhí)行方式：解釋器通過每次解釋并執(zhí)行一小段代碼來完成Java字節(jié)碼程 序的所有操作。
　　通常采用的是第二種方法芯丧。由于JVM規(guī)格描述具有足夠的靈活性芍阎，這使得將字節(jié)碼翻譯為機器代碼的工作具有較高的效率。對于那些對運行速度要求較高的應(yīng)用程序缨恒，解釋器可將Java字節(jié)碼即時編譯為機器碼谴咸，從而很好地保證了Java代碼的可移植性和高性能。
　　
　　二.JVM規(guī)格描述
　　JVM的設(shè)計目標是提供一個基于抽象規(guī)格描述的計算機模型肿轨，為解釋程序開發(fā)人員提供了很好的靈活性寿冕，同時也確保Java代碼可在符合該規(guī)范的任何系統(tǒng)上運行。JVM對其實現(xiàn)的某些方面給出了具體的定義椒袍，特別是對Java可執(zhí)行代碼驼唱，即字節(jié)碼(Bytecode)的格式給出了明確的規(guī)格。這一規(guī)格包括操作碼和操作數(shù)的語法和數(shù)值驹暑、標識符的數(shù)值表示方式玫恳、以及Java類文件中的Java對象、常量緩沖池在JVM的存儲映象优俘。這些定義為JVM解釋器開發(fā)人員提供了所需的信息和開發(fā)環(huán)境京办。Java的設(shè)計者希望給開發(fā)人員以隨心所欲使用Java的自由。
　　
　　JVM定義了控制Java代碼解釋執(zhí)行和具體實現(xiàn)的五種規(guī)格帆焕，它們是：

JVM指令系統(tǒng)
　　JVM寄存器
　　JVM棧結(jié)構(gòu)
　　JVM碎片回收堆
　　JVM存儲區(qū)
　　
　　2.1JVM指令系統(tǒng)
　　
　　JVM指令系統(tǒng)同其他計算機的指令系統(tǒng)極其相似惭婿。Java指令也是由操作碼和操作數(shù)兩部分組成。操作碼為8位二進制數(shù)叶雹，操作數(shù)緊隨在操作碼的后面财饥，其長度根據(jù)需要而不同。操作碼用于指定一條指令操作的性質(zhì)（在這里我們采用匯編符號的形式進行說明）折晦，如iload表示從存儲器中裝入一個整數(shù)钥星，anewarray表示為一個新數(shù)組分配空間，iand表示兩個整數(shù)的" 與"满着，ret用于流程控制谦炒，表示從對某一方法的調(diào)用中返回贯莺。當長度大于8位時，操作數(shù)被分為兩個以上字節(jié)存放宁改。JVM采用了"big endian"的編碼方式來處理這種情況缕探，即高位bits存放在低字節(jié)中。這同 Motorola及其他的RISC CPU采用的編碼方式是一致的还蹲，而與Intel采用的"little endian "的編碼方式即低位bits存放在低位字節(jié)的方法不同撕蔼。
　　
　　Java指令系統(tǒng)是以Java語言的實現(xiàn)為目的設(shè)計的，其中包含了用于調(diào)用方法和監(jiān)視多先程系統(tǒng)的指令秽誊。Java的8位操作碼的長度使得JVM最多有256種指令，目前已使用了160多種操作碼琳骡。
　　
　　2.2JVM指令系統(tǒng)
　　
　　所有的CPU均包含用于保存系統(tǒng)狀態(tài)和處理器所需信息的寄存器組锅论。如果虛擬機定義較多的寄存器，便可以從中得到更多的信息而不必對楅购牛或內(nèi)存進行訪問最易，這有利于提高運行速度。然而炫狱，如果虛擬機中的寄存器比實際CPU的寄存器多藻懒，在實現(xiàn)虛擬機時就會占用處理器大量的時間來用常規(guī)存儲器模擬寄存器，這反而會降低虛擬機的效率视译。針對這種情況嬉荆，JVM只設(shè)置了4個最為常用的寄存器。它們是：
　　pc程序計數(shù)器
　　optop操作數(shù)棧頂指針
　　frame當前執(zhí)行環(huán)境指針
　　vars指向當前執(zhí)行環(huán)境中第一個局部變量的指針
　　所有寄存器均為32位酷含。pc用于記錄程序的執(zhí)行鄙早。optop,frame和vars用于記錄指向Java棧區(qū)的指針。
　　
　　2.3JVM棧結(jié)構(gòu)
　　
　　作為基于棧結(jié)構(gòu)的計算機椅亚，Java棧是JVM存儲信息的主要方法限番。當JVM得到一個Java字節(jié)碼應(yīng)用程序后，便為該代碼中一個類的每一個方法創(chuàng)建一個椦教颍框架弥虐，以保存該方法的狀態(tài)信息。每個椕睦担框架包括以下三類信息：

局部變量
　　執(zhí)行環(huán)境
　　操作數(shù)棧
　　
　　局部變量用于存儲一個類的方法中所用到的局部變量霜瘪。vars寄存器指向該變量表中的第一個局部變量。
　　執(zhí)行環(huán)境用于保存解釋器對Java字節(jié)碼進行解釋過程中所需的信息省古。它們是：上次調(diào)用的方法粥庄、局部變量指針和操作數(shù)棧的棧頂和棧底指針。執(zhí)行環(huán)境是一個執(zhí)行一個方法的控制中心豺妓。例如：如果解釋器要執(zhí)行iadd(整數(shù)加法)惜互，首先要從frame寄存器中找到當前執(zhí)行環(huán)境布讹，而后便從執(zhí)行環(huán)境中找到操作數(shù)棧，從棧頂彈出兩個整數(shù)進行加法運算训堆，最后將結(jié)果壓入棧頂描验。
　　操作數(shù)棧用于存儲運算所需操作數(shù)及運算的結(jié)果。
　　
　　2.4JVM碎片回收堆
　　
　　Java類的實例所需的存儲空間是在堆上分配的坑鱼。解釋器具體承擔(dān)為類實例分配空間的工作膘流。解釋器在為一個實例分配完存儲空間后，便開始記錄對該實例所占用的內(nèi)存區(qū)域的使用鲁沥。一旦對象使用完畢呼股，便將其回收到堆中。
　　在Java語言中画恰，除了new語句外沒有其他方法為一對象申請和釋放內(nèi)存彭谁。對內(nèi)存進行釋放和回收的工作是由Java運行系統(tǒng)承擔(dān)的。這允許Java運行系統(tǒng)的設(shè)計者自己決定碎片回收的方法允扇。在SUN公司開發(fā)的Java解釋器和Hot Java環(huán)境中缠局，碎片回收用后臺線程的方式來執(zhí)行。這不但為運行系統(tǒng)提供了良好的性能考润，而且使程序設(shè)計人員擺脫了自己控制內(nèi)存使用的風(fēng)險狭园。
　　
　　2.5JVM存儲區(qū)
　　
　　JVM有兩類存儲區(qū)：常量緩沖池和方法區(qū)。常量緩沖池用于存儲類名稱糊治、方法和字段名稱以及串常量唱矛。方法區(qū)則用于存儲Java方法的字節(jié)碼。對于這兩種存儲區(qū)域具體實現(xiàn)方式在JVM規(guī)格中沒有明確規(guī)定俊戳。這使得Java應(yīng)用程序的存儲布局必須在運行過程中確定揖赴，依賴于具體平臺的實現(xiàn)方式。
　　
　　JVM是為Java字節(jié)碼定義的一種獨立于具體平臺的規(guī)格描述抑胎，是Java平臺獨立性的基礎(chǔ)燥滑。目前的JVM還存在一些限制和不足，有待于進一步的完善阿逃，但無論如何铭拧，JVM的思想是成功的。
　　
　　對比分析：如果把Java源程序想象成我們的C++源程序恃锉，Java源程序編譯后生成的字節(jié)碼就相當于C++源程序編譯后的80x86的機器碼（二進制程序文件）搀菩，JVM虛擬機相當于80x86計算機系統(tǒng)，Java解釋器相當于80x86CPU破托。在80x86CPU上運行的是機器碼肪跋，在Java解釋器上運行的是Java字節(jié)碼。
　　
　　 Java解釋器相當于運行Java字節(jié)碼的“CPU”土砂，但該“CPU”不是通過硬件實現(xiàn)的州既，而是用軟件實現(xiàn)的谜洽。Java解釋器實際上就是特定的平臺下的一個應(yīng)用程序。只要實現(xiàn)了特定平臺下的解釋器程序吴叶，Java字節(jié)碼就能通過解釋器程序在該平臺下運行阐虚，這是Java跨平臺的根本。當前蚌卤，并不是在所有的平臺下都有相應(yīng)Java解釋器程序实束，這也是Java并不能在所有的平臺下都能運行的原因，它只能在已實現(xiàn)了Java解釋器程序的平臺下運行逊彭。

推薦書籍：《深入理解計算機系統(tǒng)》《深入java虛擬機》