Java代碼是如何在機器上運行的？
本文轉載自微信公眾號「編了個程」，作者Yasin x。轉載本文請聯系編了個程公眾號。
概覽
計算機能識別的是機器指令碼，簡稱機器碼。機器碼是二進制的，計算機可以直接識別，但與人類的語言差別太大，不容易被人理解和記憶。后來，就誕生了各種高級語言，人們用高級語言編寫程序，然后通過把程序解釋或編譯成機器碼。
比如python，就是一種解釋型語言。Python程序源碼不需要編譯，可以直接從源代碼運行程序。Python解釋器將源代碼轉換為字節碼，然后把編譯好的字節碼轉發到Python虛擬機(PVM)中進行執行。
而C語言就是典型的編譯型語言，需要先用編譯器編譯成機器碼，比如我們通常用gcc來編譯C語言程序：
- $ gcc hello.c # 編譯
- $ ./a.out # 執行
- hello world!
那Java是解釋型語言還是編譯型語言呢?
「Java是兼具編譯型語言與解釋型語言的特點的」。程序員寫好Java程序后，需要先用javac編譯成JVM可以使用的字節碼class文件。然后JVM加載class文件，逐條解釋執行。在運行過程中，部分熱點代碼會被即時編譯器編譯成機器碼。
源代碼到字節碼
Java語言的源代碼是.java為后綴的文件。當然現在有很多其它高級語言也架構在JVM上，比如groovy、kotlin等。源代碼是給人看的，易于閱讀、理解、維護。
源代碼經過編譯后得到字節碼，字節碼是給JVM用的，易于理解和識別。字節碼是以.class為后綴，其格式是JVM的一套規劃，字節碼人類對照文檔也是勉強能看懂的，只是相對Java代碼來說要難以理解一些而已。
Java與Python不同，Python不需要編譯字節碼文件(當然，Python也提供了這種操作)，編譯是一個自動的過程，一般不會在意它的存在。而Java會先編譯好字節碼文件，這樣JVM直接讀字節碼文件，可以節省加載模塊的時間，提高效率。同時字節碼的形式也增加了反向工程的難度，可以保護源代碼(當然，也可以被反編譯)。
熟悉JVM的小伙伴都知道，它有一個“類加載過程”，可以說是老八股文了，經常會被面試官問到。類加載過程其實就是指的JVM從讀取一個class文件到準備好這個類，以及最后銷毀的整個過程。
所以「class文件其實是以“類”為單位的，這跟java文件有一些不同」。如果我們在一個Java文件里面聲明多個類，用Javac編譯出來會發現有多個class文件。比如我們聲明一個One.java文件：
- public class One {
- public class OneInner {}
- private class OnePrivateInner {}
- public static class OneStaticInner {}
- private static class OneprivateStaticInner {}
- }
- class Two{}
用Javac編譯后，會出現6個class文件
- ➜ $ ls
- 'One$OneInner.class' 'One$OneStaticInner.class' One.class Two.class
- 'One$OnePrivateInner.class' 'One$OneprivateStaticInner.class' One.java
字節碼到機器碼
加載和使用字節碼
前面提到，JVM會加載class文件，然后加載后的Java類會被存放于方法區(Method Area)中。從指定的類的main方法作為入口開始運行。實際運行時，虛擬機會執行方法區內的代碼，JVM會使用堆和棧來存儲運行時數據。
每當進入一個方法，Java虛擬機會在當前線程的棧中生成一個棧幀，存放局部變量以及字節碼的操作數，這個棧幀的大小是提前計算好的。
退出方法時，不管是正常返回還是異常返回，Java虛擬機均會「彈出當前線程的當前棧幀」，并將之舍棄。
Java虛擬機需要將字節碼翻譯成機器碼，才能讓機器執行。這個過程有兩種形式，一種是解釋執行，即逐條將字節碼翻譯成機器碼并執行;另一種是即時編譯(Just-In-Time compilation，JIT)，即將「一個方法中」包含的所有字節碼編譯成機器碼后再執行。
分層編譯
這兩種編譯方式是怎么協作的呢?
HotSpot虛擬機包含多個即時編譯器C1、C2和Graal。其中，Graal是一個實驗性質的即時編譯器，可以通過參數 -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseJVMCICompiler啟用，并且替換C2。
C1和C2各有優劣，適用于不同的場景。在Java 7以前，只能選擇一種編譯器。C1編譯快，但生成的代碼執行效率一般，常用于對于執行時間較短的，或者對啟動性能有要求的程序，常用于客戶端;C2編譯慢，但生成的代碼執行效率快，適用于對于執行時間較長的，或者對峰值性能有要求的程序，常用于服務端。實際上，C1對應的參數是client，C2對應的參數是server，也跟它們的應用場景比較匹配。
Java7引入了分層編譯的概念，綜合了C1的啟動性能優勢和C2的峰值性能優勢。C1和C2編譯出的機器碼是不同的。C2代碼的執行效率要比C1代碼高出30%以上。機器碼越快，需要的編譯時間就越長。分層編譯是一種折衷的方式，既能夠滿足部分不那么熱的代碼能夠在短時間內編譯完成，也能滿足很熱的代碼能夠擁有最好的優化。
熱點代碼
那怎么判定熱點代碼呢?
JVM會收集方法的運行時信息，主要包括調用次數和循環回邊的次數。當「方法的調用次數和循環回邊的次數的和，超過指定閾值時」，便會觸發即時編譯。
->
循環回邊次數可以簡單理解為方法內部代碼的循環次數，比如方法內部有for循環或while循環。
<-
在分層編譯出現前，這個閾值是由參數-XX:CompileThreshold指定的，使用C1時，該值為1500;使用C2時，該值為10000。
當啟用分層編譯時，JVM使用另一套閾值系統。在這套系統中，閾值的大小是動態調整的。JVM將閾值與某個系數 s 相乘。該系數與當前待編譯的方法數目成正相關，與編譯線程的數目成負相關。
編譯線程
默認情況下編譯線程的總數目是根據處理器數量來調整的。Java 虛擬機會將這些編譯線程按照1:2的比例分配給 C1和C2(至少各為1個)。舉個例子，對于一個四核機器來說，總的編譯線程數目為3，其中包含一個C1編譯線程和兩個C2編譯線程。
->
機器資源太少的時候，也可能各1個線程。
<-
用arthas可以看到編譯線程：
^arthas^
可以看到，它們的ID是-1，優先級也是-1。我們自己創建的線程優先級是0~10，所以編譯線程的優先級會更高一些。
總結
一句話來總結Java程序是怎么在機器上運行的呢?首先Java程序員編寫Java代碼，然后Java代碼會被編譯成class文件，多個class文件會被打包成jar包或者war包。然后JVM加載class文件，然后先解釋執行為字節碼。程序運行一段時間后，JVM會通過方法調用次數和循環持續判斷一個方法是否為熱點代碼，如果是，會使用分層編譯，通過編譯線程編譯成字節碼，在機器上運行。
