Java 执行过程中的内存模型

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  作者 |  小z同学

来源 |  urlify.cn/BF7zui

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一、前言

本文的主要工作：尝试以时间顺序追踪一遍 Java 执行的整个过程，以及展示 JVM 中内存模型的相应变化。

本文的主要目的：希望能够通过 Java 执行过程的冰山一角，增进对编程语言工作原理的理解。

以下面这段代码为例，追踪它的执行过程：

public class Car {
    private int speed;

    public void setSpeed(int speed) {
        this.speed = speed;
    }

    public void getSpeed() {
        System.out.println(speed);
    }

    public static void main(String[] args) {
        Car car = new Car();
        car.setSpeed(3);
        car.getSpeed();
    }
}

二、执行过程

接下来是具体的执行过程，总共包含五个步骤：编译、加载、执行 main 方法、执行成员方法、方法返回。

Step1：编译

首先，在我们完成上述这段源码之后，要想让程序跑起来，我们需要将其编译成为字节码文件。字节码是一种跨平台的JVM机器语言，它能够被JVM所解析，而无关底层的操作系统。

Step2：加载

当代码需要被调用时，JVM 会加载目标字节码至方法区，并转化为方法区的运行时数据结构，这里的加载过程是通过类加载器完成的。然后内存中（不一定是堆）会生成一个代表这个类的 java.lang.Class 对象，作为方法区这个类的各种数据结构的访问入口。

Step3：执行 main 方法

main 方法可以通过 java.lang.Class 对象进行调用，参考如下代码：

Method method = targetClass.getDeclareMethod("main", String[].class);
method.invoke(null, (Object) new String[0]);

之后 PC 寄存器将会指向方法区中的 main 函数地址，线程栈中会生成对应的栈桢，其主要用于存放当前方法的局部变量表、操作栈、以及方法返回地址。接下来，PC 寄存器向后地址偏移，执行引擎开始执行 main 方法体。当语句 Car car = new Car() 执行完毕，栈桢与堆中的相应变化如下：

Step4：执行成员方法

对象 car 的 setSpeed 方法调用过程和 main 类似，通过索引 car 的成员方法地址，PC寄存器将指向方法区中的 setSpeed 函数地址，同时线程栈中将产生新的栈桢，其中的方法返回地址用于保存原有 PC 地址偏移。当赋值语句 this.speed = speed 执行完毕，栈桢与堆中发生的相应变化如下：

Step5：方法返回

随着 setSpeed 方法的执行结束，Stack 中的相应栈桢出栈，栈顶指针重新指向 main 栈桢。同时 PC 寄存器将根据方法返回地址进行还原，从而继续执行 main 的方法体。当 main 方法也执行完毕出栈后，主线程与虚拟机实例销亡，程序结束。

三、杂谈

虚拟机或某一门程序语言，作为一种底层实现，可以满足上层用户的绝大部分需求，但是需求是与时俱进的，总有一天用户需要编写自己的底层实现，比如组件、框架、一门新语言。这时需要打开原有的规范，先破坏它，再重建它，从而定义自己的规范。这也许是我们需要探究底层的缘由之一吧。

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