通過編譯器將源代碼編譯稱為字節(jié)碼文件（包含程序運行各類信息的數(shù)據(jù)文件），字節(jié)碼文件被類加載器加載到內(nèi)存中，在內(nèi)存中將各類數(shù)據(jù)分類整理媒熊，最后在解釋器的作用下帽哑，將程序運行起來谜酒。
一、字節(jié)碼規(guī)范
JVM不關(guān)心類文件的來源妻枕，可源于java 僻族、JRuby、Groovy程序等屡谐；并且類文件并非依賴于磁盤文件述么，可以只存在內(nèi)存中。
class文件跟xml一樣是用來存儲數(shù)據(jù)的愕掏。類文件由“無符號數(shù)”度秘、”表“組成。類文件規(guī)范如下：
ClassFile {
u4 magic; //Class 文件的標志
u2 minor_version;//Class 的小版本號
u2 major_version;//Class 的大版本號
u2 constant_pool_count;//常量池的數(shù)量
cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];//常量池
u2 access_flags;//Class 的訪問標記
u2 this_class;//當前類
u2 super_class;//父類
u2 interfaces_count;//接口
u2 interfaces[interfaces_count];//一個類可以實現(xiàn)多個接口
u2 fields_count;//Class 文件的字段屬性
field_info fields[fields_count];//一個類可以有多個字段
u2 methods_count;//Class 文件的方法數(shù)量
method_info methods[methods_count];//一個類可以有個多個方法
u2 attributes_count;//此類的屬性表中的屬性數(shù)
attribute_info attributes[attributes_count];//屬性表集合
}
存放的數(shù)據(jù)和位置：
- 字面量和符號引用存放在常量池中：cp_info饵撑；
- 類的訪問標志（private剑梳、public等）存放在：access_flags；
- 類信息（全限定名）存放在：this_class滑潘、super_class
- 字段信息（字段作用域垢乙、是否static、final众羡、volatile侨赡、transient、數(shù)據(jù)類型粱侣、字段名稱）存放在field_info羊壹；
- 方法信息存放在：method_info。注意方法的具體代碼（字節(jié)碼指令）是存放在attribute_info的Code屬性中齐婴。
常量池：17種常量類型且每種類型有完整獨立的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)油猫，每一項都是一個表，互相間沒有共性無聯(lián)系柠偶，每個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的第一位都是標識位情妖。
屬性表集合：虛擬機規(guī)范一共制定了29項；與常量池類似诱担，每個屬性都有自己的存儲結(jié)構(gòu)毡证。
根據(jù)虛擬機的字節(jié)碼文件引出以下問題：
1. 虛擬機如何將源代碼編譯為字節(jié)碼？
2. 虛擬機如何字節(jié)碼文件加載到內(nèi)存中蔫仙？
3. 字節(jié)碼加載到內(nèi)存后料睛，如何讓程序運行起來呢？
二、編譯階段
- 虛擬機如何將源代碼編譯為字節(jié)碼文件恤煞？
將源代碼編譯為字節(jié)碼是由編譯器完成的屎勘； 根據(jù)編譯期的不同分為：前端（javac）、即時(C1和C2)和提前（Jaotc）編譯器居扒。提前編譯器是直接把程序編譯成與目標機器指令集相關(guān)的二進制代碼概漱。
前端編譯器
需要注意的是前端編譯器如Javac,對代碼的運行效率幾乎沒有任何優(yōu)化措施，因為虛擬機設(shè)計團隊選擇把對性能的優(yōu)化集中到運行期喜喂，這樣可以讓那些不是由javac產(chǎn)生的字節(jié)碼文件（如JRuby瓤摧、Groovy程序）也能享受到編譯器優(yōu)化所帶來的性能提升。但是javac這類編譯器可以通過“語法糖”提高編碼效率夜惭。
“語法糖”：目的是提高代碼開發(fā)效率姻灶。
以下是Java支持的語法糖：
- 泛型：Java采用的是“類型擦除式泛型”，即泛型只存在于源碼中诈茧，編譯后的字節(jié)碼中全部泛型被替換成為原來的裸類型产喉，并在相應(yīng)的地方插入了強制轉(zhuǎn)型代碼。在運行期間ArrayList<Integer>和ArrayList<String>是一個類型（方法重載時這兩個類型屬于同一個類型敢会，編譯報錯）曾沈。這樣做的缺點有兩個：1.運行期間無法得到泛型類型信息，會讓代碼變得繁瑣鸥昏。2.泛型擦除后塞俱，導(dǎo)致ArrayList<int>這種類型不支持，因為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型不能與Object互轉(zhuǎn)吏垮。
- lambda表達式：不算純粹的語法糖障涯，但是在前端編譯器中做了大量的轉(zhuǎn)換工作。
- 其他語法糖：自動裝箱膳汪、拆箱唯蝶；循環(huán)遍歷；變長參數(shù)遗嗽；條件編譯粘我；內(nèi)部類；枚舉類痹换；斷言語句征字；數(shù)值字面量；對枚舉和字符串的switch支持娇豫；try語句中定義和關(guān)閉資源匙姜。
以Javac為例的前端編譯器：虛擬機規(guī)范對編譯的約束相當寬松，極端情況下會出現(xiàn)在javac中可以編譯但是在IDE中不能編譯冯痢。編譯主要分為：
1 解析與填充符號表：
1.1 詞法分析：是將源代碼的字符（程序編寫的最小單位）流轉(zhuǎn)變?yōu)闃擞洠ǔ绦蚓幾g的最小單位）集合的過程氮昧。
1.2 語法分析：根據(jù)標記序列構(gòu)造抽象語法樹或详，抽象語法樹每個節(jié)點都代表一個語法結(jié)構(gòu)，例如包郭计、類型、運算符椒振、接口昭伸、注釋都可以是一種特定的語法結(jié)構(gòu)。
1.3 完成詞法和語法分析后澎迎，需要對符號表進行填充庐杨；符號表是由一組符號地址和符號信息構(gòu)成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，類似于哈希表中鍵值對的存儲形式夹供。2 注解處理器執(zhí)行：注解在設(shè)計上原本與代碼一樣只會在運行期間起作用灵份，但在JDK6后提出“插入式注解處理器”的API，可以將注解提前在編譯期對代碼中的特定注解進行處理哮洽√钋可以將“插入式注解處理器”看作是一組編譯器的插件，這些插件工作時允許讀取鸟辅、修改和添加抽象語法樹的任意元素氛什。如插件Lombok就是利用“插入式注解處理器”API干預(yù)編譯器的行為。
3 語義分析和字節(jié)碼生成：
3.1 語義分析：抽象樹能夠表示一個正確的源程序匪凉，但無法保證程序的語義符合邏輯枪眉。語義分析就是對結(jié)構(gòu)上正確源程序進行上下文相關(guān)性質(zhì)的檢查。
3.2 語法糖解析：語法糖避免的代碼的“啰嗦”和減少語法“錯誤”再层，但是在編譯期間還是需要將“語法糖”恢復(fù)原來的語法贸铜。javac中通過desugar()完成解析。
3.3 字節(jié)碼生成：字節(jié)碼生成不見將前面步驟所生成的信息轉(zhuǎn)化成字節(jié)碼寫道磁盤聂受，同時還進行少量的代碼添加和轉(zhuǎn)化工作蒿秦。例如實例的構(gòu)造器<init>()。
即時編譯器
按照虛擬機規(guī)范饺饭，即時編譯器和提前編譯器都是非必需的渤早。
即時編譯器：用到即時編譯器的時候，虛擬機已經(jīng)完成類的加載過程瘫俊，當字節(jié)碼文件進入內(nèi)存后鹊杖，Java程序最初先是通過解釋器執(zhí)行的，當虛擬機發(fā)現(xiàn)某個方法或代碼塊運行的特別頻繁扛芽，就認定這些代碼是“熱點代碼”（多次被調(diào)用和多次被執(zhí)行的循環(huán)體）骂蓖，為了提高熱點代碼的效率，虛擬機通過即時編譯器進行代碼優(yōu)化（會改變字節(jié)碼文件）川尖。這種編譯方式因為發(fā)生在方法執(zhí)行過程中登下，被形象的稱為“棧上編譯”。
即時編譯器在HotSpot中內(nèi)置了三個，其中“客戶端編譯器（C1）”和“服務(wù)端編譯器（C2）”存在很久被芳，JDK10后出現(xiàn)了Graal編譯器缰贝。
在分層編譯模式之前，虛擬機都是采用一個解釋器一個編譯器搭配的工作（混合）模式畔濒；但是也可以通過設(shè)置是否采用混合模式剩晴。分層模式之后解釋器、客戶端編譯器（C1）和服務(wù)端編譯器（C2）會同時工作侵状，熱點代碼被多次編譯赞弥，用客戶端編譯器獲取更高的編譯速度，用服務(wù)端編譯器獲取更好的編譯質(zhì)量趣兄。
代碼被標記為熱點代碼的方式有兩種：
- 基于采樣的熱點探測：虛擬機周期性的檢查各個線程的調(diào)用棧頂绽左，如果發(fā)現(xiàn)某個方法經(jīng)常出現(xiàn)在棧頂，那么這個方法就是熱點代碼艇潭。
- 基于計數(shù)器的熱點探測：虛擬機會為每個方法建立計數(shù)器拼窥，如果某個方法執(zhí)行次數(shù)超過閾值，那么這個方法就是熱點代碼蹋凝。HotSpot為每個方法準備“方法調(diào)用計數(shù)器”和“回邊計數(shù)器”闯团，當?shù)竭_閾值后就會觸發(fā)編譯器進行優(yōu)化。
編譯器如何進行熱點代碼的優(yōu)化仙粱？
在后臺執(zhí)行編譯的過程房交，前端編譯器利用簡單快速的三段式編譯器，進行局部（如常量傳播伐割、空值檢查消除）優(yōu)化候味。而后端編譯器會執(zhí)行大部分經(jīng)典的優(yōu)化動作：無用代碼消除、循環(huán)展開隔心、循環(huán)表達式外移白群、消除公共子表達式、常量傳播硬霍、基本塊重排序帜慢、范圍檢查消除、空值檢查消除等唯卖。
提前編譯器
按照虛擬機規(guī)范粱玲，即時編譯器和提前編譯器都是非必需的。
提前編譯在JDK1.0時候就可以使用外掛的提前編譯拜轨。但是提前編譯在很長時間內(nèi)沒有進展和應(yīng)用抽减；直到2013，在Android世界中出現(xiàn)了ART使用提前編譯橄碾，把使用即時編譯的Dalvik徹底終結(jié)卵沉。提前編譯器才大展身手颠锉。
三、加載階段
- 虛擬機如何字節(jié)碼文件加載到內(nèi)存中史汗？
通過類加載將字節(jié)碼的數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存中琼掠。類的加載分為：加載、連接（驗證停撞、準備眉枕、解析）、初識化怜森、使用、和卸載谤牡。其中解析可不按照該順序副硅。
類的加載過程：
- 加載：通過類的全限定名來獲取定義該類的二進制流；然后將字節(jié)碼中所代表的靜態(tài)存儲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為方法區(qū)運行時的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)翅萤。注意：數(shù)據(jù)已經(jīng)從字節(jié)碼轉(zhuǎn)移到內(nèi)存中的方法區(qū)了恐疲。
- 驗證：驗證文件格式、驗證元數(shù)據(jù)套么、字節(jié)碼驗證（Code屬性的數(shù)據(jù)）培己、最后是符號引用驗證。
- 準備：將類中定義的變量分配到方法區(qū)并初始化胚泌；這里分配僅僅包括類變量（static修飾的）省咨，而不包括實例變量，實例變量會在對象實例化的時候隨著對象一起分配到堆內(nèi)存中玷室。
- 解析：將字節(jié)碼中常量池中的符號引用替換直接引用零蓉。
- 初始化：在準備階段變量被賦〇值，在初始化階段中會根據(jù)程序員通過程序編碼制定主觀計劃去初始化類變量和其他資源穷缤。
類的加載器
對于任意一個類敌蜂，都必須由加載它的加載器+類本身確定在虛擬機中的唯一性。
對于虛擬機來說只有兩類加載器：啟動類加載器和其他類加載器津肛。在程序員角度Java一直保持著三層類加載器章喉、雙親委派的類加載架構(gòu)。
啟動類加載器：負責加載JAVA_HOME\lib下的類秸脱。
擴展類加載器：負責加載JAVA_HOME\lib\ext下的類。
應(yīng)用程序加載器：負責加載用戶類路徑下的所有類部蛇。
雙親委派：一個類加載器收到加載類的請求后撞反，首先將請求委派給父類加載器，每個層次的類加載器都是如此搪花；最終請求會被傳給啟動類加載器遏片，只有當父類加載器反饋無法完成這個加載請求時嘹害，子加載器才會嘗試自己去加載該類。這樣的好處是Object在程序的各類中都能保證是同一個類吮便。
四笔呀、運行階段
- 字節(jié)碼加載到內(nèi)存后，如何讓程序運行起來呢髓需？
- 將字節(jié)碼中的數(shù)據(jù)分類放入內(nèi)存中的不同區(qū)域许师。
- 虛擬機解釋器解釋棧中的指令碼，利用棧中的“操作數(shù)椓糯遥”執(zhí)行的指令（入棧進行計算微渠，出棧則存入局部變量表）。
