本文讨论一个Java程序是如何运行的。
Java是编译型语言，先将源代码编译成.class文件，然后由JVM加载进行解释执行。
字节码文件简介
将下面的Java代码使用 javac
命令进行编译。
public class Demo{
public static void main(String[] args){
int x = 500;
int y = 100;
int a = x / y;
int b = 50;
System.out.println(a + b);
}
}
执行 javacDemo.java
后会在当前目录生成 Demo.class
文件，用16进制编辑器将其打开。
.class文件的数据是严格按照格式紧凑排列的二进制流，中间没有任何分隔符，称为字节码文件。在每个Java字节码文件开头有一个 0xcafebabe
(16进制) 特殊标志。文件内包含了版本信息、访问标志、常量池、当前类信息、父类、接口、字段、方法、属性等信息。
分析字节码文件内容
使用编辑器直接打开字节码文件是看不懂的，可以借助Java提供的 javap
命令。在终端执行：javap-vDemo.class>Demo.txt
，打开Demo.txt就可以看到解析后的内容。
版本信息
文件开始几行会有版本信息，版本信息包含有主版本号、次版本号，同时还会有一个访问标志。
版本号是指JDK的版本，数字49,50,51,52 分别对应 jdk 5,6,7,8。访问标志对应类的修饰符和作用于类的一些关键字，详见下表：
常量池
再往下有一个常量池（Constant pool）的定义：
这个常量池和String常量池有一定区别，这里存储的信息是类信息包含的静态常量，这些值是编译这个类之后需要的一些常量，比如方法名称、类的名称，这些是类本身就需要的一些常量。这里面会有很多类型，详见下表：
构造方法
再往下，是一个构造函数：
在源代码文件中并没有写构造函数，但是在编译后的字节码文件中，却有一个public的无参构造函数。由此可见，当我们没有定义构造函数时，会有隐式的无参构造函数。
程序入口main方法
最后是main方法：
Demo.java的代码逻辑就是进行除法和加法运算，最后输出55。方法描述包含了以下内容（序号对应于图中序号）：
访问控制：标识方法是静态的，是public的等等。
locals：本地变量数量，这里是
args
x
y
a
b
这5个变量。args_size：方法参数数量
stack ：方法对应栈帧中操作数栈的深度
JVM执行引擎去执行这些指令码。需要注意的是这些通过
javap
命令翻译出来的操作符，实际在class文件内不会存在这些字符，而是存储的指令码，关于指令码可以详细查看“JVM指令码表”。前面的数字是指令的偏移量（字节），JVM根据这个去区分不同的指令。
JVM运行时数据区
在具体分析程序运行原理之前，先了解一下JVM运行时数据区的概念。Java源代码被编译成.class字节码文件后，这个字节码文件就会被JVM加载，然后分配一个内存区域去存储它的信息。JVM将内存划分为几个数据区，包含有方法区、堆内存、虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器。这些数据区从线程角度又可以划分为两类：线程共享部分和线程独占部分，其中方法区和堆内存属于线程共享部分，虚拟机栈、本地方法栈和程序计数器属于线程独占部分。当然一个Java程序执行还需要JVM执行引擎、本地方法库等，本文不探讨JVM底层实现，只涉及到下图中红框内容。
线程独占：每个线程都有它独立的内存空间，随线程生命周期而创建和销毁。线程共享：所有线程能访问这块内存数据，随虚拟机或者GC而创建和销毁。
方法区
方法区用来存储加载的类信息、常量、静态变量、编译后的代码等数据。在虚拟机规范中是一个逻辑区域，根据不同的虚拟机有不同的具体实现。比如 oracle 的 HotSpot 虚拟机在Java 7及以前方法区放在永久代，Java 8及以后放在元数据空间，并且由GC机制进行管理。其他的一些虚拟机可能有不同的实现。
堆内存
堆内存在JVM启动时创建，用来存放程序中创建的对象实例。堆内存又进一步细分为老年代和新生代。新生代里又分为3个区域：Eden、From Survivor、To Survivor。垃圾回收器主要就是管理堆内存。如果这块内存不够用了，就会抛出 OutOfMemroyError
异常。
虚拟机栈
虚拟机栈属于线程独占部分，每个线程都在这个空间有一个私有的内存区域。每个线程栈由多个栈帧（Stack Frame）组成，一个栈帧就对应到一个方法，栈帧中包含局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址、附加信息等内容。栈内存默认最大是1M，超出则会抛出 StackOverflowError
异常。
本地方法栈
本地方法栈也是线程独占的空间，和虚拟机栈功能相似，虚拟机栈是为虚拟机执行Java方法而准备的，本地方法栈是为虚拟机执行Native本地方法而准备的。在虚拟机规范中没有规定具体的实现，由虚拟机厂商去具体实现，比如在 HotSpot 虚拟机中本地方法栈和虚拟机栈的实现方式是一样的，超出大小也会抛出 StackOverflowError
异常。可以将虚拟机栈和本地方法栈作为同一个概念去理解， 只是执行的方法不同。
程序计数器
程序计数器（Program Counter Register） 记录当前线程执行字节码的位置，它存储的是字节码的指令地址，如果执行Native方法，则计数器值为空。每个线程都在这个空间有一个私有的区域来存储它对应的执行位置，因为CPU同一时间只能执行一个线程中的指令，多线程会轮流切换并分配CPU执行时间，当进行线程切换后，需要通过程序计数器来恢复该线程正确的执行位置。
Demo程序完整运行分析
加载
JVM将编译后的字节码加载到方法区，当然JVM不可能只加载一个Demo类，还有很多其他的类信息都存储在方法区，比如在代码中定义的字符串（String）会以字符串常量的形式存放在常量池里面。
加载完之后JVM就创建线程来执行代码，既然要创建线程，那么就需要在虚拟机栈、程序计数器内存区域中分配线程独占的空间。这里不涉及到本地方法，因为Demo程序全是Java代码。
运行
Demo程序中创建的对象实例将存放到堆里面，线程运行会在程序计数器上面开辟一个小小的空间，用来记录当前线程执行代码的位置。还要在虚拟机栈里面开辟一个空间，虚拟机栈是由多个栈帧组成，一个栈帧对应一个方法。
Demo程序的main方法对应的栈帧有本地变量表、操作数栈。栈帧的其他信息，本文不做探讨。
本地变量表中序号0是方法参数 String[]args
。程序运行就是将代码转换为指令码的形式运行，如下图所示：
下面对指令一条一条的进行分析。开始执行序号为0的指令 sipush500
的含义是将500这个数值压入操作数栈，此时程序计数器记录位置0，操作数栈栈顶为500。当前线程内存状态如下图：
继续执行序号3指令 istore_1
，这个指令是将操作数栈栈顶弹出，保存到本地变量表1位置。此时操作数栈就没有数据了，数值500存储在本地变量表1位置，程序计数器记录当前指令地址3。
继续执行序号4指令 bipush100
, 将100这个数值压入操作数栈。这里和序号0用的是不同的指令，不同指令操作的数据类型和数据大小是不同的。此时操作数栈栈顶为100。
继续执行序号6指令 istore_2
，弹出操作数栈栈顶100，保存到本地变量表2位置。此时操作数栈空，100存储到本地变量表2位置。
接下来就要做除法运算了，首先要把本地变量表信息读出来，然后进行运算。对应到字节码指令就是首先执行 iload_1
指令，读取本地变量表1，压入操作数栈。再执行 iload_2
指令读取本地变量表2，压入操作数栈。此时操作数栈从栈顶到栈底依次为100，500。然后通过指令 idiv
将操作数栈栈顶前两个int类型数出栈进行除法运算，并将运算结果(500/100=5)入栈。此时操作数栈栈顶为5。
继续执行序号10指令 istore_3
，将上一步运算出的结果从操作数栈出栈，保存到本地变量表3位置。
接下来是一条赋值语句，首先执行序号11指令 bipush50
，将50压入操作数栈。然后执行序号13指令 istore4
，将操作数栈栈顶50出栈，保存到本地变量表4位置。
继续执行序号15指令 getstatic#2
，对应到Java代码里是要进行方法调用。这条指令的含义是获取类或接口字段的值并将其压入操作数栈， 指令中的#2对应于常量池中的 Fieldref#15.#16
。此时操作数栈栈顶为#2。
接下来要进行加法运算，首先 iload_3
将本地变量表3中数值取出来压入操作数栈，然后 iload4
将本地变量表4中的数值取出来压入操作数栈，此时操作数栈内容为50、5、#2，然后执行 iadd
指令将操作数栈栈顶前两个数值出栈进行相加操作，再将结果入栈。最后操作数栈中的内容为55、#2。
执行到这，接下来要进行新的方法调用了，执行序号22指令 invokevirtual#3
，JVM会根据这个方法的描述，创建新栈帧，main方法不跑了，程序计数器也会重新开始计数。方法的参数从操作数栈中弹出，成为新栈帧的内容，然后虚拟机会开始执行虚拟机栈栈顶的栈帧。新方法执行完毕后，再继续执行main方法对应的栈帧。
最后执行到序号25指令 return
，函数返回，main方法执行结束。
以上就是一个Java程序运作的过程，实际上，Java程序运行就是在对本地变量表、操作数栈等等线程中的信息进行操作，最终实现程序运行的效果。
结语
本文将JVM运行核心逻辑进行了梳理，探讨了运行时数据区、栈帧的一些内容、以及指令码的执行过程等。JVM运行原理中更底层的实现，比如线程是怎么调度的，JVM针对不同的操作系统或处理器，会有不同的实现，这也是Java能够实现“一处编写，处处运行”的原因。如果读者想去了解更深层次，比如用C语言写的线程调度以及执行引擎的内部实现核心原理，可以去详细阅读OpenJDK的开源代码。
