Java程序是如何运行的？从HelloWorld说起

引言

为什么要学习这个主题？

你是否曾经好奇：

为什么Java程序能够"一次编写，到处运行"？
一个简单的 System.out.println("Hello World") 背后发生了什么？
.java 文件和 .class 文件有什么区别？

作为JVM学习的第一课，理解Java程序的运行机制是后续所有知识的基础。就像学习汽车驾驶前需要了解汽车的基本构造一样，学习JVM调优前也需要先理解Java程序是如何运行的。

你将学到什么？

✅ Java程序从源代码到执行的完整流程
✅ JVM在Java运行机制中的核心作用
✅ “一次编写，到处运行"的底层原理
✅ 编译型语言 vs 解释型语言，Java是什么？

一、从HelloWorld开始

1.1 最简单的Java程序

// HelloWorld.java
public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello, World!");
    }
}

执行这个程序需要两个步骤：

# 第一步：编译
javac HelloWorld.java

# 第二步：运行
java HelloWorld

输出：

Hello, World!

看起来很简单，但这两行命令背后隐藏着Java运行机制的全部秘密。

1.2 编译后发生了什么？

执行 javac HelloWorld.java 后，目录中会生成一个新文件：

HelloWorld.java   # 源代码（Java语言）
HelloWorld.class  # 字节码（JVM语言）

关键问题：为什么不是直接生成机器码（如 .exe 文件）？

这就是Java与C/C++等传统编译型语言的核心区别。

二、Java程序的两阶段运行模型

2.1 传统编译型语言（如C语言）

源代码(.c) → [C编译器] → 机器码(.exe) → [CPU直接执行]

特点：

编译后生成特定平台的机器码
Windows编译的程序不能在Linux上运行
执行速度快（直接被CPU执行）
无法跨平台

2.2 Java的两阶段模型

源代码(.java) → [javac编译器] → 字节码(.class) → [JVM解释/编译] → 机器码 → [CPU执行]

特点：

第一阶段：编译成平台无关的字节码
第二阶段：JVM将字节码转换为特定平台的机器码
关键：字节码可以在任何安装了JVM的平台上运行

2.3 流程图

┌─────────────────┐
│  HelloWorld.java │  ← Java源代码（人类可读）
└────────┬────────┘
         │ javac编译器
         ↓
┌─────────────────┐
│ HelloWorld.class│  ← 字节码（JVM可读）
└────────┬────────┘
         │ 运行时（java命令）
         ↓
┌─────────────────┐
│      JVM        │  ← Java虚拟机（核心角色）
│  ┌───────────┐  │
│  │类加载器    │  │  ← 加载.class文件
│  ├───────────┤  │
│  │字节码校验  │  │  ← 安全检查
│  ├───────────┤  │
│  │解释器/JIT  │  │  ← 转换为机器码
│  └───────────┘  │
└────────┬────────┘
         │
         ↓
┌─────────────────┐
│   操作系统       │
│   CPU执行       │
└─────────────────┘

三、核心概念深度解析

3.1 什么是字节码？

字节码（Bytecode）：一种中间表示形式，既不是源代码，也不是机器码。

查看字节码内容：

javap -c HelloWorld.class

输出示例：

public static void main(java.lang.String[]);
  Code:
     0: getstatic     #2    // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
     3: ldc           #3    // String Hello, World!
     5: invokevirtual #4    // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
     8: return

这些类似 getstatic、ldc、invokevirtual 的指令就是JVM指令，是JVM能够理解的"语言”。

为什么需要字节码？

平台无关性：同一份字节码可以在Windows、Linux、macOS上运行
安全性：JVM可以在加载时验证字节码的合法性
优化空间：JVM可以在运行时对热点代码进行优化（JIT编译）

3.2 JVM的核心作用

JVM就像是Java程序和操作系统之间的"翻译官"：

Java程序：老板，我要在屏幕上打印"Hello World"
    ↓
JVM：收到！让我看看...
    → Windows系统：调用 kernel32.dll
    → Linux系统：调用 glibc
    → macOS系统：调用 CoreFoundation

核心职责：

加载字节码：读取 .class 文件
校验字节码：确保代码安全（防止恶意代码）
执行字节码：
- 解释执行（逐行翻译成机器码）
- JIT编译（将热点代码编译成机器码缓存）
内存管理：自动分配和回收内存（垃圾回收）

3.3 “一次编写，到处运行"的实现

       同一份字节码
            ↓
    ┌───────┴───────┐
    ↓               ↓
Windows JVM      Linux JVM
    ↓               ↓
Windows机器码    Linux机器码
    ↓               ↓
 Windows CPU     Linux CPU

关键点：

开发者只需编译一次（javac）
JVM负责适配不同平台
开发者无需关心底层操作系统和CPU架构

四、Java是编译型还是解释型语言？

4.1 传统定义

编译型语言：C、C++、Go（编译成机器码）
解释型语言：Python、JavaScript（逐行解释执行）

4.2 Java的特殊性

Java是两者的结合：

编译阶段（javac）：Java源码 → 字节码（编译型）
运行阶段（JVM）：  字节码 → 机器码（解释型 + JIT编译）

更准确的描述：Java是一种混合型语言

第一阶段：编译成字节码（类似编译型）
第二阶段：
- 初期：解释执行字节码（类似解释型）
- 后期：JIT编译热点代码（变成编译型）

4.3 性能对比

纯解释执行 < Java（解释+JIT） < C/C++（纯编译）
   慢             中等              快

实际情况：

启动时：Java较慢（需要加载JVM和类）
预热后：Java接近C++性能（JIT编译优化）

五、实战：观察Java程序的执行过程

5.1 查看编译产物

# 编译
javac HelloWorld.java

# 查看文件大小
ls -lh HelloWorld.*

输出：

-rw-r--r--  1 user  staff   119B Nov 21 20:00 HelloWorld.java
-rw-r--r--  1 user  staff   426B Nov 21 20:01 HelloWorld.class

分析：字节码文件比源代码还大，因为包含了：

常量池
方法表
字节码指令
元数据信息

5.2 查看JVM进程

终端1：运行一个持续运行的程序

public class LoopTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        while (true) {
            System.out.println("Running...");
            Thread.sleep(1000);
        }
    }
}

终端2：查看JVM进程

jps -l

输出：

12345 LoopTest
12346 sun.tools.jps.Jps

分析：

每个Java程序都运行在一个JVM进程中
jps 是JDK自带的工具（Java Process Status）

六、常见误区与疑问

❓ 误区1：Java程序是解释执行的，所以很慢

真相：

早期的JVM确实主要依赖解释执行，性能较差
现代JVM（如HotSpot）拥有强大的JIT编译器
热点代码会被编译成本地机器码，性能接近C++
结论：现代Java的性能已经不是问题

❓ 误区2：JVM只能运行Java语言

真相：

JVM运行的是字节码，而不是Java源代码
任何能编译成字节码的语言都能在JVM上运行
JVM语言家族：
- Java（主流）
- Kotlin（Android开发）
- Scala（大数据）
- Groovy（动态语言）
- Clojure（函数式编程）

❓ 疑问3：为什么不直接编译成机器码？

原因：

跨平台性：字节码在所有平台上相同
安全性：JVM可以在加载时验证代码
动态性：支持动态类加载、反射等特性
优化空间：JIT可以根据运行时情况优化

代价：

启动较慢（需要加载JVM）
内存占用较高（JVM本身需要内存）

总结

核心要点回顾

Java程序运行的两阶段模型
- 编译阶段：javac 将 .java 编译成 .class（字节码）
- 运行阶段：java 命令启动JVM，JVM加载并执行字节码
JVM的核心作用
- 加载和校验字节码
- 将字节码转换为机器码（解释执行 + JIT编译）
- 提供内存管理和垃圾回收
“一次编译，到处运行"的实现
- 字节码是平台无关的中间表示
- 不同平台的JVM负责将字节码转换为对应的机器码
Java的语言特性
- 既不是纯编译型，也不是纯解释型
- 是编译型和解释型的混合体
- 现代JVM的性能已接近传统编译型语言

思考题

如果删除 .java 源文件，只保留 .class 文件，程序还能运行吗？为什么？
一个32位系统上编译的 .class 文件能在64位系统上运行吗？
为什么有些Java程序启动很慢，但运行一段时间后变快了？

下一篇预告

下一篇文章《JVM到底是什么？虚拟机的本质》，我们将深入探讨：

什么是虚拟机？
JVM规范 vs JVM实现
主流JVM对比：HotSpot、OpenJ9、GraalVM
JVM的内存模型和组件架构

参考资料

Java Language and Virtual Machine Specifications
《深入理解Java虚拟机（第3版）》- 周志明，第1章
The Java Virtual Machine Instruction Set
Inside the Java Virtual Machine - Bill Venners

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3.2 JVM的核心作用#

3.3 “一次编写，到处运行"的实现#

四、Java是编译型还是解释型语言？#

4.1 传统定义#

4.2 Java的特殊性#

4.3 性能对比#

五、实战：观察Java程序的执行过程#

5.1 查看编译产物#

5.2 查看JVM进程#

六、常见误区与疑问#

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❓ 误区2：JVM只能运行Java语言#

❓ 疑问3：为什么不直接编译成机器码？#

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