Java 运行原理（超级详细版）——从你写下一行代码到程序真正执行的全过程
这是 Java 基础中最核心、最底层、最常被问到的知识点之一。
无论你是准备面试、考研、蓝桥杯，还是真正想理解 Java 为什么“一次编写，到处运行”，都强烈建议把这一块吃透。
一、Java 程序从写出来到运行起来的完整流程（最清晰版）
你写的代码 → 编译阶段 → 运行阶段
HelloWorld.java →→→ javac 编译 →→→ HelloWorld.class
↓
java 命令启动
↓
JVM（Java虚拟机）启动
↓
1. 类加载子系统（Class Loader）
2. 运行时数据区（内存划分）
3. 执行引擎（解释器 + JIT编译器）
4. 本地方法接口（JNI）
↓
程序真正执行并输出结果一句话总结：
Java 是先编译后解释的混合执行语言，核心靠 JVM（Java Virtual Machine）实现跨平台。
二、详细拆解每一步（带图文流程）
1. 编写阶段：.java 源文件
// HelloWorld.java
public class HelloWorld {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("Hello, Java运行原理！");
}
}- 这是一个纯文本文件，人类可读。
- 后缀必须是
.java - 文件名必须和 public 类名 完全一致（区分大小写）
2. 编译阶段：javac 把 .java → .class
命令：
javac HelloWorld.java发生了什么？
- 词法分析 → 把代码切成一个个 token（关键字、标识符、运算符、数字、字符串等）
- 语法分析 → 构建语法树，检查语法是否正确（比如大括号是否匹配）
- 语义分析 → 检查类型是否匹配、变量是否声明、方法是否被正确调用等
- 生成字节码 → 把语法树转成 JVM 能理解的平台无关的字节码（.class 文件）
生成的 .class 文件长什么样？（用 javap 反编译看一下）
javap -c HelloWorld你会看到类似下面的字节码（这是 JVM 真正能读懂的东西）：
public static void main(java.lang.String[]);
Code:
0: getstatic #2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: ldc #7 // String Hello, Java运行原理！
5: invokevirtual #9 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
8: return重要结论：
- .class 文件不是机器码，是中间码（字节码）
- 字节码与平台无关（Windows、Mac、Linux 都能用同一份 .class）
- 真正和硬件打交道的是 JVM，不是 .class
3. 运行阶段：java 命令启动 JVM
命令：
java HelloWorld
# 或（推荐写全类名）
java com.example.HelloWorld这一步真正发生了什么？
JVM 启动后，会经历以下核心流程：
启动 java.exe / java（Windows/Linux/Mac不同） → 加载 JVM 动态库 → 初始化 JVM → 执行 main 方法JVM 内部核心工作分为三大块：
- 类加载子系统（Class Loader Subsystem）
- 运行时数据区（Runtime Data Area）
- 执行引擎（Execution Engine）
三、JVM 内部最详细的运行原理（重点！）
1. 类加载子系统（Class Loading）
把 .class 文件加载进内存，一共经历这几个阶段：
| 阶段 | 做什么 | 是否必须 | 常见问题点 |
|---|---|---|---|
| 加载（Loading） | 通过类加载器把 .class 文件读进内存 | 必须 | — |
| 链接（Linking） | 验证 + 准备 + 解析 | 必须 | 验证失败会报 VerifyError |
| 验证（Verification） | 校验字节码格式、安全性、指令合法性 | — | — |
| 准备（Preparation） | 为静态变量分配内存，赋默认值（0/null） | — | 注意：不是赋初始值 |
| 解析（Resolution） | 把符号引用转为直接引用（方法、字段、类） | 可选 | — |
| 初始化（Initialization） | 执行静态代码块和静态变量的显式赋值 | 必须 | 最重要的阶段！ |
类初始化的触发时机（非常高频面试题）：
- new 一个对象
- 访问静态变量 / 静态方法
- 初始化子类（会先初始化父类）
- main 方法所在类
- 使用反射
- …
2. 运行时数据区（内存划分）——最重要的一张图！
┌───────────────────────────────────────────────┐
│ 线程共享区 │
│ ┌───────────────────────────────┐ │
│ │ 方法区（Method Area） │ │
│ │ （1.8+ 叫 元空间 Metaspace） │ │
│ │ 存放：类信息、常量、静态变量 │ │
│ └───────────────────────────────┘ │
│ │
│ ┌───────────────────────────────┐ │
│ │ 堆（Heap） │ │
│ │ 存放：几乎所有对象实例 │ │
│ └───────────────────────────────┘ │
└───────────────────────────────────────────────┘
┌───────────────────────────────────────────────┐
│ 线程私有区 │
│ ┌───────────────────────────────┐ │
│ │ 虚拟机栈（JVM Stack） │ │
│ │ 存放：栈帧（局部变量表、操作数栈）│ │
│ └───────────────────────────────┘ │
│ │
│ ┌───────────────────────────────┐ │
│ │ 本地方法栈（Native Method Stack）│ │
│ └───────────────────────────────┘ │
│ │
│ ┌───────────────────────────────┐ │
│ │ 程序计数器（PC Register） │ │
│ │ 记录当前线程执行的字节码行号 │ │
│ └───────────────────────────────┘ │
└───────────────────────────────────────────────┘最常考的几个区域对比：
| 区域 | 共享性 | 存放内容 | 可能抛出异常 | 是否会GC |
|---|---|---|---|---|
| 程序计数器 | 线程私有 | 字节码指令地址 | 无（唯一不出错的区域） | 否 |
| 虚拟机栈 | 线程私有 | 栈帧（局部变量、操作数栈等） | StackOverflowError | 否 |
| 本地方法栈 | 线程私有 | native 方法的栈 | StackOverflowError | 否 |
| 堆 | 线程共享 | 对象实例、数组 | OutOfMemoryError | 是 |
| 方法区（元空间） | 线程共享 | 类信息、常量、静态变量、JIT代码 | OutOfMemoryError | 是（部分） |
3. 执行引擎（最核心的执行部分）
JVM 执行字节码有两种方式：
- 解释执行（Interpreter）
- 一条一条解释字节码 → 翻译成机器码 → 执行
- 启动快，但运行慢
- 即时编译（JIT Compiler） — HotSpot 的核心性能保障
- 把热点代码（经常执行的代码）编译成本地机器码
- 编译后直接执行机器码，速度非常快
- 热点判定依据：调用次数 / 循环回边次数达到阈值（-XX:CompileThreshold）
现代 JVM 真实执行方式：
第一次执行 → 解释器解释执行 + 收集 profiling 信息
多次执行 → 达到阈值 → JIT 编译成机器码 → 放入 Code Cache
下次执行 → 直接执行机器码（极快）四、总结：一句话版运行原理
你写的 .java 文件经过 javac 编译成平台无关的 .class 字节码，然后由 JVM 加载、链接、初始化，在运行时数据区分配内存，由解释器 + JIT编译器混合执行，最终把字节码转成当前机器能直接运行的本地机器码，从而实现“一次编写，到处运行”。
五、面试/考研常考 10 个追问问题（建议全部背熟）
- Java 为什么能跨平台？
- .class 文件是什么？能直接运行吗？
- JVM、JRE、JDK 分别是什么关系？
- 类加载的几个阶段分别做什么？
- 什么时候会触发类的初始化？
- 堆和栈的区别？分别存什么？
- 方法区（元空间）存什么？为什么 1.8 后改成了元空间？
- 解释执行和编译执行的区别？JVM 怎么结合使用的？
- 程序计数器有什么用？为什么线程私有？
- 运行一个 main 方法，JVM 都做了哪些事？
需要我继续深入讲解其中任意一个点吗？
比如：
- 类加载的双亲委派模型
- 字节码具体指令含义
- JIT 编译的热点探测细节
- 内存区域更详细的 GC 相关知识
随时告诉我，我们继续往下挖～
