Java 遵循一次编写、到处运行的理念，即设计一个面向 Java 语言特性的虚拟机，并通过编译器将 Java 程序转换成该虚拟机所能识别的指令序列，也称 Java 字节码，使其可以在不同平台的虚拟机实现里运行。之所以取名字节码，也是因为 Java 字节码指令的操作码（opcode）被固定为一个字节。C 程序编译而成的机器码就是一个个的字节：

0x00:  55                    push   rbp
0x01:  48 89 e5              mov    rbp,rsp
0x04:  48 83 ec 10           sub    rsp,0x10
0x08:  48 8d 3d 3b 00 00 00  lea    rdi,[rip+0x3b]
                                    ; 加载 "Hello, World!\n"
0x0f:  c7 45 fc 00 00 00 00  mov    DWORD PTR [rbp-0x4],0x0
0x16:  b0 00                 mov    al,0x0
0x18:  e8 0d 00 00 00        call   0x12
                                    ; 调用 printf 方法
0x1d:  31 c9                 xor    ecx,ecx
0x1f:  89 45 f8              mov    DWORD PTR [rbp-0x8],eax
0x22:  89 c8                 mov    eax,ecx
0x24:  48 83 c4 10           add    rsp,0x10
0x28:  5d                    pop    rbp
0x29:  c3                    retCopy to clipboardErrorCopied

最左列是偏移，中间列是给虚拟机读的机器码，最右列是给人读的代码。

0x00:  b2 00 02         getstatic java.lang.System.out
0x03:  12 03            ldc "Hello, World!"
0x05:  b6 00 04         invokevirtual java.io.PrintStream.println
0x08:  b1               returnCopy to clipboardErrorCopied

从虚拟机视角来看，执行 Java 代码首先需要将它编译而成的 class 文件加载到 Java 虚拟机中；加载后的 Java 类会被存放于方法区（Method Area）中。实际运行时，虚拟机会执行方法区内的代码。Java 虚拟机会将栈细分为面向 Java 方法的 Java 方法栈，面向本地方法（用 C++ 写的 native 方法）的本地方法栈，以及存放各个线程执行位置的 PC 寄存器。在运行过程中，每当调用进入一个 Java 方法，Java 虚拟机会在当前线程的 Java 方法栈中生成一个栈帧，用以存放局部变量以及字节码的操作数。这个栈帧的大小是提前计算好的，而且 Java 虚拟机不要求栈帧在内存空间里连续分布。当退出当前执行的方法时，不管是正常返回还是异常返回，Java 虚拟机均会弹出当前线程的当前栈帧，并将之舍弃。

在字节码翻译的过程中，支持两种执行方式：解释执行与即时编译（Just-In-Time compilation，JIT），解释执行即逐条将字节码翻译成机器码并执行；即时编译即将一个方法中包含的所有字节码编译成机器码后再执行。即时编译建立在程序符合二八定律的假设上，也就是百分之二十的代码占据了百分之八十的计算资源。对于占据大部分的不常用的代码，我们无需耗费时间将其编译成机器码，而是采取解释执行的方式运行；另一方面，对于仅占据小部分的热点代码，我们则可以将其编译成机器码，以达到理想的运行速度。

理论上讲，即时编译后的 Java 程序的执行效率，是可能超过 C++ 程序的。这是因为与静态编译相比，即时编译拥有程序的运行时信息，并且能够根据这个信息做出相应的优化。举个例子，我们知道虚方法是用来实现面向对象语言多态性的。对于一个虚方法调用，尽管它有很多个目标方法，但在实际运行过程中它可能只调用其中的一个。这个信息便可以被即时编译器所利用，来规避虚方法调用的开销，从而达到比静态编译的 C++ 程序更高的性能。

HotSpot 内置了多个即时编译器：C1、C2 和 Graal，以满足不同用户场景的需要。C1 又叫做 Client 编译器，面向的是对启动性能有要求的客户端 GUI 程序，采用的优化手段相对简单，因此编译时间较短。C2 又叫做 Server 编译器，面向的是对峰值性能有要求的服务器端程序，采用的优化手段相对复杂，因此编译时间较长，但同时生成代码的执行效率较高。从 Java 7 开始，HotSpot 默认采用分层编译的方式：热点方法首先会被 C1 编译，而后热点方法中的热点会进一步被 C2 编译。

在 java -version 命令中，我们能够了解当前的 JVM 类型与工作模式。

第三行的输出中可以看到：JVM 的名字(HotSpot)、类型(Client)和 build ID(24.79-b02)。除此之外，我们还知道 JVM 以混合模式(mixed mode)在运行，这是 HotSpot 默认的运行模式，意味着 JVM 在运行时可以动态的把字节码编译为本地代码。我们也可以看到类数据共享(class data sharing)是开启(即第三行最后的 sharing)的。类数据共享(class data sharing)是一种在只读缓存(在 jsa 文件中，”Java Shared Archive”)中存储 JRE 的系统类，被所有 Java 进程的类加载器用来当做共享资源，它可能在经常从 jar 文档中读所有的类数据的情况下显示出性能优势。

-Xcomp 代表编译模式(compiled mode)，与它(-Xint)正好相反，JVM 在第一次使用时会把 所有的字节码编译成本地代码，从而带来最大程度的优化。这听起来不错，因为这完全绕开了缓慢的解释器。然而，很多应用在使用-Xcomp 也会有一些性能损失，但是这比使用-Xint 损失的少，原因是-Xcomp 没有让 JVM 启用 JIT 编译器的全部功能。因此在上图中，我们并没有看到-Xcomp 比-Xmixed 快多少。

-Xmixed 代表混合模式(mixed mode)，前面也提到了，混合模式是 JVM 的默认工作模式。它会同时使用编译模式和解释模式。对于字节码中多次被调用的部分，JVM 会将其编译成本地代码以提高执行效率；而被调用很少(甚至只有一次)的方法在解释模式下会继续执行，从而减少编译和优化成本。 JIT 编译器在运行时创建方法使用文件，然后一步一步的优化每一个方法，有时候会主动的优化应用的行为。这些优化技术，比如积极的分支预测(optimistic branch prediction)，如果不先分析应用就不能有效的使用。这样将频繁调用的部分提取出来，编译成本地代码，也就是在应用中构建某种热点(即 HotSpot， 这也是 HotSpot JVM 名字的由来)。 使用混合模式可以获得最好的执行效率。

那么，Client JVM 和 Server JVM 到底在哪些方面不同呢？当虚拟机运行在-client 模式的时候,使用的是一个代号为 C1 的轻量级编译器, 而-server 模式启动的虚拟机采用相对重量级,代号为 C2 的编译器. C2 比 C1 编译器编译的相对彻底，服务起来之后,性能更高。-Server VM 启动时，速度较慢，但是一旦运行起来后，性能将会有很大的提升。

很明显，Client VM 的编译器没有像 Server VM 一样执行许多复杂的优化算法，因此，它在分析和编译代码片段的时候更快。而 Server VM 则包含了一个高级的编译器，该编译器支持许多和在 C++编译器上执行的一样的优化，同时还包括许多传统的编译器无法实现的优化。

从 J2SE 5.0 开始，当一个应用启动的时候，加载器会尝试去检测应用是否运行在 “server-class” 的机器上，如果是，则使用 Java HotSpot Server Virtual Machine (server VM)而不是 Java HotSpot Client Virtual Machine (client VM)。这样做的目的是提高执行效率，即使没有为应用显式配置 VM。下面这张图展示了各个平台的默认的 JVM(注意：—代表不提供该平台的 JVM )：

Quasar 是基于字节码 Instrumentation 技术的栈实现，需要使用者手工标注哪些方法是在协程中使用的，无疑会增加开发难度。此外，在 Quasar 的协程中无法使用第三方库，除非对于第三方库的所有类的方法都进行一遍审查和标注。

这里所说的线程指程序执行过程中的一个线程实体。JVM 允许一个应用并发执行多个线程。Hotspot JVM 中的 Java 线程与原生操作系统线程有直接的映射关系。当线程本地存储、缓冲区分配、同步对象、栈、程序计数器等准备好以后，就会创建一个操作系统原生线程。Java 线程结束，原生线程随之被回收。操作系统负责调度所有线程，并把它们分配到任何可用的 CPU 上。当原生线程初始化完毕，就会调用 Java 线程的 run() 方法。run() 返回时，被处理未捕获异常，原生线程将确认由于它的结束是否要终止 JVM 进程(比如这个线程是最后一个非守护线程)。

当线程结束时，会释放原生线程和 Java 线程的所有资源。对于整个 JVM 的学习中，我们会关注到线程独有的譬如内存区域中的程序计数器、虚拟机栈、本地栈和栈帧、局部变量数组、操作数栈、动态链接，以及线程共享的堆、非堆内存、内存管理、即时编译 JIT、方法区、类文件结构、类加载器、运行时常量池、异常表、符号表以及 Interned 字符串等等。

如果使用 jconsole 或者其它调试器，你会看到很多线程在后台运行。这些后台线程与触发 public static void main(String[]) 函数的主线程以及主线程创建的其他线程一起运行。Hotspot JVM 后台运行的系统线程主要有下面几个：