理解了 1+2的過程，就理解了Java虛擬機
在面試的時候，在問到關于JVM相關的問題，會發現不少的面試者都是機械的在記憶，稍一細問就戛然而止。屬于死記硬背型的，估計是看書里記個大概的概念或者圖，并沒有理解含義。
實際上這塊內容，看概念的時候能對照一個簡單的程序分析，可以更好的理解。下面咱們開始。
市面上常見的JVM書籍里，關于JVM的體系結構，一般劃分成以下幾個部分：
- 類加載器
- 程序計數器(Program Counter Register，簡稱PC Register)
- Java 虛擬機棧(Java Virtual Machine Stacks)
- 堆(Heap)
- 方法區(Method Area)
- 運行時常量池(Run-time Constant Pool)
- 本地方法棧(Native Method Stack)
- 棧幀(Stack Frame)
- 執行引擎(Execution Engine)
其中2~7項，又稱為運行時數據區，畢竟這些東西只有JVM 跑起來才會創建。這個分類，基本都是參照 Java 虛擬機規范。
如果干巴巴的記概念沒啥意思，吃個飯可能就忘了。接下來用 1+2這個程序來試著理解它。
我們來看個初學Java 編程的時候都基本都寫過的，類似 Hello World的程序。
- public class HelloWorld {
- public static void main(String[] args) {
- int a = 1;
- int b = 2;
- int c = a + b;
- }
- }
先 javac 編譯之后，再用javap -verbose HelloWorld 來觀察一下, 你會看到類似下面的輸出內容：
- public class HelloWorld
- minor version: 0
- major version: 55
- flags: (0x0021) ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
- this_class: #2 // HelloWorld
- super_class: #3 // java/lang/Object
- interfaces: 0, fields: 0, methods: 2, attributes: 1
- Constant pool:
- #1 = Methodref #3.#12 // java/lang/Object."<init>":()V
- #2 = Class #13 // HelloWorld
- #3 = Class #14 // java/lang/Object
- #4 = Utf8 <init>
- #5 = Utf8 ()V
- #6 = Utf8 Code
- #7 = Utf8 LineNumberTable
- #8 = Utf8 main
- #9 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V
- #10 = Utf8 SourceFile
- #11 = Utf8 HelloWorld.java
- #12 = NameAndType #4:#5 // "<init>":()V
- #13 = Utf8 HelloWorld
- #14 = Utf8 java/lang/Object
- {
- public HelloWorld();
- descriptor: ()V
- flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
- Code:
- stack=1, locals=1, args_size=1
- 0: aload_0
- 1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
- 4: return
- LineNumberTable:
- line 1: 0
- public static void main(java.lang.String[]);
- descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
- flags: (0x0009) ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
- Code:
- stack=2, locals=4, args_size=1
- 0: iconst_1
- 1: istore_1
- 2: iconst_2
- 3: istore_2
- 4: iload_1
- 5: iload_2
- 6: iadd
- 7: istore_3
- 8: return
- LineNumberTable:
- line 3: 0
- line 4: 2
- line 5: 4
- line 6: 8
- }
好嘞。咱們都知道，上面這些就是Java的字節碼。有了上面這個輸出的內容，你把自己想像成虛擬機，來運行它，就理解了 Java 虛擬機里各個部分了。
首先，這部分內容，要執行，一定得先讀到內存里，負載讀這些內容的，就是虛擬機的類加載器。
加載進來的其實是個二進制流，然后呢，需要把它整理成對應格式的內容才方便使用嘛。比如這個類叫啥名字，繼承了誰，都有什么方法，方法名字叫啥，內容是什么這些東西要找個地方放著。放哪好呢?方法區就是干這個的。
所謂的運行時常量池也是方法區里的一塊區域。往上看Constant Pool 在運行時會被解析成 Run-time Constant Pool。如果涉及到對其他類的引用等等，會在加載之后再鏈接的時候，把這里面的符號引用轉化成直接引用。
另外一些部分呢?概括來講就是Java虛擬機棧，就是咱們常說的棧，是用來執行方法里的具體內容的。這一部分其實可以這樣理解。Java 虛擬機，和我們真實的物理機類似，都會把程序提供的指令執行，只不過虛擬機是一個提供了一套有限指令集的軟件。物理機基本都是基于寄存器執行，而 Java 虛擬機的對于指令的執行實現是基于棧的。
既然是棧，那棧里要放點什么?沒錯，是棧幀，英文是 Frames，就是咱們在使用 IDE debug 的時候看到的那一層一層的內容。
每個方法調用的時候，都會出現一幀，每一幀也是個結構，方法執行用到的東西都在里面。比如在 Debug 的時候，一般都會看到每個變量和值， 這些變量稱為本地變量(local variables)，在上面的輸出內容里也有stack=2, locals=4, args_size=1 我們看到locals就是本地變量，args_size是方法參數的長度，還有一個就是操作數(stack)，數值是棧的最大深度。
每個class 的任意一個方法里，都會有 frame ，它們都有自己的 local variables 本地變量表， 自己的operand stack 操作數棧，以及到run-time constant pool 運行時常量池的引用。當然，也可以有一些擴展信息，例如debug info。
那具體上面簡單的一個 1+2 這個操作，對應到 jvm 指令有這些：
- 0: iconst_1
- 1: istore_1
- 2: iconst_2
- 3: istore_2
- 4: iload_1
- 5: iload_2
- 6: iadd
- 7: istore_3
- 8: return
具體當前執行到第幾條指令，需要有個標識，這個活兒讓程序計數器給干了。這小子一直指向下一條即將執行的指令。基本棧的實現，上面的指令大意是把常量1賦值給第一個變量，常量2賦值給第二個變量，之后，變量一入棧，變量二入棧，執行iadd操作的時候，這兩個數據出棧，完成求和，再賦值給變量3，入棧，再返回。下次咱們細說JVM指令的時候，再詳細說說。這些指令的執行，當然離不開執行引擎。
因為不需要執行Native方法，所以我們一般不用本地方法棧,這是給類似JNI這些本地方法實現準備的。
你看，觀察了1+2的過程，基本Java 虛擬機的結構是不是就理解了?:-) 如果還是記不住的話，你可以這樣想啊，Java 的世界里，經常會說到堆和棧。那棧用來存啥呢?想想你 debug 時候看到的那一層層的幀， 然后再想想今天的1+2的執行，應該就齊了。
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