JVM实现跨平台的关键因素：class文件和“翻译器”

前言

当你通过上文对JVM有了初步的认识后，就需要关心JVM里面的内容了。

通过上文可以知道，JVM是Java实现跨平台特性的关键所在，并且支持近百种编程语言。JVM是如何做到这两点的？本文将对此进行说明。

关键因素：class文件

JVM可以实现跨平台并且支持近百种编程语言运行，最关键的因素就是.class。

• 将class文件交给JVM，就不用考虑跨平台的问题了。
• 任何编程语言只要编译成.class，都可以运行在JVM上。

可见class文件的重要性，所以，如果想要精通JVM，首先要了解class。

class文件格式说明

一个class文件格式是这样的

文件中定义了这个类的元数据和编译后的JVM指令。作用如下：

• 在加载类文件时，这些元数据会被JVM校验和解析。
• 编译后的JVM指令，最终会通过解释器或者即时编译转换成机器的本地指令。

这两点下面会重点说明。

Java 源代码在class文件中的体现

为了直观地理解class文件，下面通过一个示例展示源代码在class中的体现。

对上图内容做一个简单的解释说明：

1. 图中的magic，硬编码为0xCAFEBABE，标识该文件是一个有效的Java类文件，在类加载时会对此进行校验。
2. 图中的constant_pool，是一些符号引用，在对该类解析时会转换为直接引用。
3. 图中的methods_count，是指该类有几个方法，methods[]则是每个方法的具体信息，这些信息中就包括具体的attributes，比如Code，即JVM指令。 fields_count、fields[]、interfaces_count、interfaces[] 同理。

更详细的class文件说明，可以参考官方文档

涉及到的知识点（面试题）

前两点涉及到JVM一个重要的知识点：类加载机制。在面试时经常会被问到相关知识，比如什么是类加载机制？有哪些类加载器？什么是双亲委派机制？感兴趣的可以移步至《Java面试中经常被问到的15道JVM面试题》，有具体的说明。

这里简单说明下符号引用和直接引用。

什么是符号引用和直接引用？

符号引用就是上图constant_pool中的 #1 = Methodref #7 之类的内容，用来说明对象的引用（变量）和对象之间的关系，是一个静态的表示。

当程序运行时，对象是要加载到内存中的。所以，JVM运行时，会把对象的引用解析到实际的内存地址，也就是直接引用。

第三点中的JVM指令，如果想要了解的，可以移步至官方文档：

源代码编译后的JVM指令集示例

指令的格式及其执行的操作

指令操作码的助记符的映射

class文件通过类加载机制，最终会被加载到内存中，这块内存会被JVM管理，也就是运行时数据区。同样，感兴趣的可以移步至《Java面试中经常被问到的15道JVM面试题》，有具体的说明。

关键因素：“翻译器”

JVM可以实现跨平台另一个关键因素就是“翻译器”：将字节码转化为机器指令。

在JVM中有两个“翻译器”，一个解释器，一个即时编译器。

解释器

JVM运行时，解释器会逐条读取字节码指令，然后将其“翻译”为本地指令并执行。

例如，JVM的new指令，可能会涉及到系统调用、内存读写指令等操作，大概这样。

在这里插入图片描述

由于每次执行字节码时都需要逐条翻译，所以，解释器这种方式执行效率比较慢。

即时编译器（JIT）

为了解决这一问题，JVM还提供了即时编译器（JIT）的方式。它的工作原理是这样的：

将“热点代码”直接翻译成本地机器码并缓存，在后续执行相同的代码段时，就可以直接使用缓存的本地机器码，避免了重复的解释过程，从而提高了执行效率。

注：JVM运行时，两者是同时存在的。

总结

如果想要精通JVM，对class文件的了解是必不可少的。因为class文件会涉及到类加载、类文件在JVM内存中的布局等知识。除此之外，在了解JVM指令和“翻译器”后，可以让你更清晰的认识Java编程语言从编码到运行的过程。