这期我们来聊java代码是如何运行的？（一）

你好，我的名字是TT。

在本期中，我们来谈谈java代码是如何工作的。大家都知道java运行在JVM上，那么它是如何结合操作系统来控制那些硬件设备的呢？

其实，如果我们想知道这个问题，我们可以追溯一行代码的整个生命周期来解释，我把它抽象成这样五个步骤。

首先，将这行代码编译成字节码，然后由JVM通过类加载器加载，然后由解释器解释成机器码cpu中跟踪指令后继地址的寄存器，解释器分配执行这条指令所需的资源——主要是内存。然后 CPU 执行指令并将结果写回内存。

接下来，我们将逐步分析它。

首先，java是一门高级语言。这种语言不能直接在硬件上运行。它必须运行在能够识别java语言特性的虚拟机上，java代码必须转换成java编译器能够识别的虚拟机。指令序列，也称为 java 字节码。

那么 .out.(“Hello world”) 编译后的字节码是什么样的呢？最左边一列是偏移量，中间一列是虚拟机读取的字节码，最右边一列是高级语言翻译。

使用字节码，通过类加载器加载 java 虚拟机。加载之后，我们通过解释器把它解释成汇编指令，最后再翻译成CPU可以识别的机器指令，那么机器指令转换成汇编语言是什么样子的呢？

我们可以看到中间是机器码，第三列是对应的机器指令，最后一列是对应的汇编代码。

解释器由软件实现。它将字节码转换为汇编指令，使得相同的Java字节码可以在不同的硬件设备上运行，而汇编指令到机器指令的转换是直接由硬件实现的，所以速度会更快。

JVM为了提高运行效率，会一次性将一些热代码编译成机器指令然后执行cpu中跟踪指令后继地址的寄存器，即即使编译对应解释执行，即使编译后的机器码存放在某个地方称为缓存，这块内存属于堆外。内存。如果这块内存不够，即使编译器不再编译，也可能导致程序运行速度变慢，这也是我们排查性能问题的一个点。

代码被转换成指令，指令必须有上下文环境才能执行。这些环境包括内存资源，例如指令寄存器、数据寄存器和堆栈空间。

程序加载到内存后，指令就在内存中。指令的指针寄存器IP指向内存中要执行的下一条指令的地址。CPU的控制单元根据IP寄存器的指针将主存中的指令加载到指令寄存器中。指令寄存器也是一个存储设备，但它集成在CPU内部。指令从主存到达CPU后，只是一串二进制字符串，需要解码器进行解码。解码后根据运算类型从主存中获取操作数，调用运算单元进行计算。

事实上，我们的数据主要存储在内存中，但是 CPU 的计算速度比主存的访问速度快很多倍，所以中间有多层缓存。例如，当 CPU 有一条指令要在主存中取某个值时，CPU 会首先根据该值在主存中的位置来判断它是否已经在缓存中。在缓存中。

这个地方会涉及到一个知识点，也就是从主存中读取的时候，不会只是读取一个值，而是会取出并缓存一个一定长度的值，因为它会假设既然你已经读取了某个value 一个位置的值和与该位置相邻的值也会被读取。就像我们用SQL查询id=800的行时，虽然返回了id=800的行，但实际上在读取这行记录的时候，就是这行记录所在的数据页上的所有数据被存储。把它放在记忆中。也许下次你去查询id=801的记录时，你只是打了缓存，不需要去磁盘查。

所以我们知道一个缓存行可能会缓存多个字段的值。如果一个进程改变了其中一个值，整个缓存就会失效，缓存行上的其他值会从内存中重新读取。因此，一些对内存要求很高的应用程序希望避免这种情况。例如，他们将使用对象填充，以便字段的值可以占据整个缓存行。

那么，有了执行环境，我们的代码什么时候会被执行呢？我们知道CPU一上电就会不停的取指令和操作，不断的循环往复，那么你可能会问，我的代码什么时候执行？

实际上，CPU为每个进程分配一个时间片，在这个时间片内执行相应的进程指令，在这个时间片之后执行其他进程。进程中指令的执行顺序取决于每条指令的执行。指向下一个命令的位置。当然，进程内的一些操作也会主动放弃CPU的执行权限，比如等待IO操作。

所以为了让一个进程中的指令执行效率更高，我们可以让其他线程获得CPU的执行权限，在一个线程等待IO的时候继续执行。如果你的任务都是计算任务，基本不主动释放CPU，那么单核机器上就没有必要开启多个线程了。如果有大量的IO操作，多线程的效果会更好。

接下来，我们分析一下代码执行时内存是如何分配的。JVM启动时，会生成一个进程。虽然多个进程会共享一块物理内存，但每个进程都会有自己独立的内存空间。

当我们同时启动多个JVM，执行.out.(new())时，默认会打印出这个对象的地址，最后发现打印的全是java.lang.@。

也就是说，多个JVM进程返回的内存地址是相同的，也就是说每个进程都有独立的地址空间。

实际上，每个进程都会自己维护一个虚拟内存。虚拟存储允许每个进程认为它垄断了整个内存空间。这样做的好处是每个进程都有一致的虚拟地址空间。简化内存管理，进程不需要与其他进程竞争内存空间，因为是独占的，这也保护了各自的进程不被其他进程破坏。

每个进程在申请内存时，都会维护虚拟内存和物理内存的映射关系，防止其他进程占用自己的内存，而这个虚拟内存空间可能会超过物理内存，超过物理内存就可能发生数据溢出。存储在磁盘上。

页表保存了虚拟地址和物理地址的映射关系。页表是一个数组，每个元素都是一个页面的映射关系。这种映射关系可能是与主存的，也可能是与磁盘的。页表存储在主存储器中。也可以存储在缓冲区中。

我们将存储在缓存中的页表称为 TLAB。好了，我们现在知道了JVM进程中的内存地址是如何与物理内存相关联的，那么具体一行java代码无非就是读取某个属性的值，对该值进行操作，然后写入新值回到某个值。一个属性，那么我们如何读取一个属性的值呢？

我们可以参考JDK中反射的实现，也就是说，当我们获得一个Field对象时，可以通过set()方法或者get()方法来设置和读取一个属性的值。它首先需要获取该属性的相对对象。初始位置的偏移量，如果持有对这个对象的引用，就可以得到该对象在虚拟内存中的起始地址，然后我们可以根据该属性的偏移量得到该属性的虚拟内存地址，而然后查询页表得到物理内存的起始地址，然后根据这个属性的类型得到对应长度的数据。

写作也是如此。加载类时确认属性相对于对象初始位置的偏移量。它与类绑定，所以如果一个对象只有一个属性，如果它没有被压缩，那么这个对象就没有被压缩。占128位，这个属性的偏移量可能是128。如果有多个属性，JVM会对属性重新排序，对齐内存，保证对象占用的大小是8的倍数。另外一个作用是确保某个属性的值都在一个CPU缓存行中，否则某个属性的值将部分在缓存行A中，部分在缓存行B中。

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