Java 核心技术 36 讲(一)

谈谈你对Java平台的理解?“Java是解释执行”,这句话正确吗?

典型回答

Java本身是一种面向对象的语言,最显著的特性有两个方面,一是所谓的“一次书写,到处运行”(Write once,run anywhere),能够非常容易的获得跨平台能力;另外就是垃圾收集(GC),Java通过垃圾收集器回收分配内存,大部分情况下,程序猿不需要自己操心内存的分配和回收。

我们日常会接触到JRE或者JDK。JRE即Java运行环境,包含了JVM和Java类库,以及一些模块等。而JDK可以看做是JRE的一个超集,提供了更多工具,比如编译器、各种诊断工具等。

对于“Java是解释执行”这句话,这个说法不太准确。我们开发的Java源代码,首先通过Javac编译成字节码,然后在运行时,通过JVM内嵌的解释器将字节码转换为最终的机器码。但是常见的JVM,比如我们大多数情况下使用的Oracle JDK提供的Hotspot JVM,都提供了JIT(Just -In -Time)编译器,也就是通常所说的动态编译器,JIT能够在运行时将热点代码编译成机器码,这种情况下部分热点代码就属于编译执行,而不是解释执行了。

知识扩展

对于Java平台的理解,可以从很多方面简明扼要的谈一下,例如:Java语言特性,包括泛型、Lambda等语言特性;基础类库,包括集合、IO/NIO、网络、并发、安全等基础类库。

或者谈谈JVM的一些基础概念和机制,比如类加载机制、垃圾收集的基本原理等等。

当然还有JDK包含的一些工具如编译器、运行时环境、安全工具、诊断和监控工具等等。

然后再回到解释执行和编译执行的问题。

众所周知,我们通常把Java分为编译器和运行时,这里说的Java编译和C/C++是有着不同的意义的,Javac的编译,编译Java源码生成字节码,而不是可以直接执行的机器码。Java通过字节码和JVM这种跨平台的抽象,屏蔽了操作系统和硬件的细节,这也是实现“一次编写,到处执行”的基础。

在运行时,JVM会通过类加载器加载字节码,解释或者编译执行。在主流的Java版本中,如JDK8实际是解释和编译混合的一种模式,即所谓的混合模式(-Xmixed)。通常运行在Server模式的JVM,会进行上万次调用以收集足够的信息进行高效的编译,client模式这个门限是1500次。Oracle Hotspot JVM内置了两个不同的JIT compiler,C1对应前面说的client模式,适用于对于启动速度敏感的应用,比如普通的Java桌面应用;C2对应server模式,它的优化是为长时间运行的服务器端应用设计的。默认采用所谓的分层编译。

Java虚拟机启动时,可以指定不同的参数对运行模式进行选择。比如,指定“-Xint”,就是告诉JVM只进行解释执行,不对代码进行编译,这种模式抛弃了JIT可能带来的性能优势。毕竟解释器是逐条读入,逐条解释运行的。与其相对应的,还有一个“-Xcomp”参数,这是告诉JVM关闭解释器,不要进行解释执行,或者叫做最大优化级别。那这种模式是不是高效呢?简单来说,还真未必。“-Xcomp”会导致JVM启动变慢非常多。

除了我们日常最常见的Java使用模式,其实还有一种新的编译方式,即所谓的AOT(Ahead -of - Time),直接将字节码编译成机器代码,这样就避免了JIT预热等各方面的开销,比如Oracle JDK 9就引入了实验性的AOT特性。

另外,JVM作为一个强大的平台,不仅仅只有Java语言可以运行在JVM上,本质上合规的字节码都可以运行,Java语言自身也为此提供了便利,可以看到类似Scala、Groovy等大量JVM语言,活跃在不同的场景。

更多声音

Java的跨平台特性与JVM的存在密不可分。Java语言本身与其他编程语言没有特别大的差异,也不是说Java语言可以跨平台,而是在不同的平台都有可以让Java语言运行的环境而已,所有才有了一些编写,到处运行的说法。

程序从源代码到运行的三个阶段:编码 — 编译 — 运行 —- 调试。Java在编译阶段则体现了跨平台的特点。编译过程大概是这样的:首先将Java源代码转化为.class文件字节码,这是第一次编译。.class文件就是可以到处运行的文件,然后java字节码会被转化为目标机器码,这是由JVM来执行的,即Java的第二次编译。

“到处运行”的关键和前提在于JVM。因为在第二次编译中JVM起着关键性作用,在可以运行Java虚拟机的地方都内含一个JVM操作系统。从而使Java提供了各种不同平台上的虚拟机制,因此实现了“到处运行”的效果。

C/C++编程是面向操作系统的,需要开发者极大的关系不同操作系统之间的差异性;而Java平台通过虚拟机屏蔽了操作系统的底层细节,使得开发者不需过多关注不同操作系统之间的差异性。

通过一个间接的中间层来进行解耦,是计算机领域非常常用的一种艺术手法,虚拟机是这样,操作系统是这样,HTTP也是这样。

写个程序直接执行字节码就是解释执行;写个程序运行时把字节码动态翻译成机器码就是JIT;写个程序把Java源代码直接翻译成机器码就是AOT;造个CPU直接执行字节码,字节码就是机器码。

解释执行和编译执行的区别,类别一下,一个是同声传译,一个是放录音。

参考

以上都是参考自谈谈你对Java平台的理解?

越读越有味道的文章。

Android层面的扩展

上面提到了JIT和AOT,实际上这也是ART虚拟机与Dalvik虚拟机之间的区别。

Dalvik是Google设计用于Android平台的Java虚拟机。Dalvik与JVM之间最大的区别在于虚拟机架构不同。JVM基于栈架构,程序在运行时虚拟机需要频繁的从栈上读写数据,这个过程需要更多的指令分配和内存访问次数,会耗费不少CPU时间,而且对于手机设备这种资源有限的条件下。是相当一大笔开销。Dalvik基于寄存器架构,数据访问通过寄存器直接传递,这样的访问方式比基于栈方式要快很多。

ART即Android Runtime,其处理应用程序执行的方式完全不同于Dalvik,Dalvik是依靠一个JIT编译器去解释字节码。开发者编译后的应用代码需要通过一个解释器在用户设备上运行,这一机制并不高效,但能让应用更容易的在不同硬件和架构上运行。ART则完全改变了这套做法,在应用安装时就预编译字节码到机器码,这一机制就是AOT编译。在移除解释代码这一过程中,应用程序执行将更有效率,启动更快。

ART优点:

  1. 系统性能显著提升
  2. 应用启动更快、运行更快、体验更加流畅、触摸反馈更加及时
  3. 更长的电池续航能力
  4. 支持更低的硬件

ART缺点:

  1. 更大的存储空间占用,可能会增加10%-20%
  2. 更长的应用安装时间
我们一直都向往,面朝大海,春暖花开。 但是几人能做到,心中有爱,四季不败?