• 为什么 Java 要在虚拟机里运行？
• Java 虚拟机具体是怎样运行 Java 字节码的？
• Java 虚拟机的运行效率究竟是怎么样的？

为什么 Java 要在虚拟机里运行？

1. Java是一种高级语言，不能直接运行在硬件，需要转换
2. 设计一个面向Java语言的虚拟机，通过编译器将 Java 程序转换成该虚拟机所能识别的指令序列。
3. 在现有平台(Windows Linux)上实现Java虚拟机，Java程序便可以在不同平台上的虚拟机实现里运行。

Java 虚拟机具体是怎样运行 Java 字节码的？

• 从虚拟机视角来看
  1. 执行 Java 代码首先需要将它编译而成的 class 文件加载到 Java 虚拟机中。加载后的 Java 类会被存放于方法区（Method Area）中。实际运行时，虚拟机会执行方法区内的代码。
  2. 在运行过程中，每当调用进入一个 Java 方法，Java 虚拟机会在当前线程的 Java 方法栈中生成一个栈帧，用以存放局部变量以及字节码的操作数。这个栈帧的大小是提前计算好的，而且 Java 虚拟机不要求栈帧在内存空间里连续分布。
  3. 当退出当前执行的方法时，不管是正常返回还是异常返回，Java 虚拟机均会弹出当前线程的当前栈帧，并将之舍弃。
• 从硬件视角来看，Java 字节码无法直接执行。因此，Java 虚拟机需要将字节码翻译成机器码。
  1. 第一种是解释执行，即逐条将字节码翻译成机器码并执行；
  2. 第二种是即时编译（Just-In-Time compilation，JIT），即将一个方法中包含的所有字节码编译成机器码后再执行。

Java 虚拟机的运行效率究竟是怎么样的？

1. 即时编译建立在程序符合二八定律的假设上，也就是百分之二十的代码占据了百分之八十的计算资源。
2. 即时编译，对于占据大部分的不常用的代码，我们无需耗费时间将其编译成机器码，而是采取解释执行的方式运行；
3. 另一方面，对于仅占据小部分的热点代码，我们则可以将其编译成机器码，以达到理想的运行速度。

为了满足不同用户场景的需要，HotSpot 内置了多个即时编译器：

1. C1 又叫做 Client 编译器，面向的是对启动性能有要求的客户端 GUI 程序，采用的优化手段相对简单，因此编译时间较短。
2. C2 又叫做 Server 编译器，面向的是对峰值性能有要求的服务器端程序，采用的优化手段相对复杂，因此编译时间较长，但同时生成代码的执行效率较高。
3. Graal 是 Java 10 正式引入的实验性即时编译器。

从 Java 7 开始，HotSpot 默认采用分层编译的方式：热点方法首先会被 C1 编译，而后热点方法中的热点会进一步被 C2 编译。

总结与实践

今天我简单介绍了 Java 代码为何在虚拟机中运行，以及如何在虚拟机中运行。

之所以要在虚拟机中运行，是因为它提供了可移植性。一旦 Java 代码被编译为 Java 字节码，便可以在不同平台上的 Java 虚拟机实现上运行。此外，虚拟机还提供了一个代码托管的环境，代替我们处理部分冗长而且容易出错的事务，例如内存管理。

Java 虚拟机将运行时内存区域划分为五个部分，分别为方法区、堆、PC 寄存器、Java 方法栈和本地方法栈。Java 程序编译而成的 class 文件，需要先加载至方法区中，方能在 Java 虚拟机中运行。

为了提高运行效率，标准 JDK 中的 HotSpot 虚拟机采用的是一种混合执行的策略。它会解释执行 Java 字节码，然后会将其中反复执行的热点代码，以方法为单位进行即时编译，翻译成机器码后直接运行在底层硬件之上。

HotSpot 装载了多个不同的即时编译器，以便在编译时间和生成代码的执行效率之间做取舍。