从零开始学习Java系列之Java运行机制与跨平台特性

全文大约【4000】字，不说废话，只讲可以让你学到技术、明白原理的纯干货！并带有丰富的案例及配图，让你更好地理解和运用文中的技术概念，给你带来具有足够启迪的思考……

在上一篇文章中，壹哥给大家介绍了Java的历史由来、特性、版本等纯理论性的知识。其中我给大家提到了一个重要的”跨平台“特性，对很多入门小白来说，还是不明白”跨平台“是啥意思。所以在开始真正操作Java代码之前，壹哥还要再利用一篇文章给大家解释一下到底啥是”跨平台“，以及Java是如何实现”跨平台“的。而要真正弄清楚”跨平台“的含义，我们必须了解一下Java代码的开发步骤，以及JVM虚拟机等内容。

一、高级编程语言分类

壹哥在上一篇文章中给大家说过，高级编程语言可以分为两大类，如下：

1. 编译型：C、C++、Pascal等；

2. 解释型：Basic、JavaScript、Python等。

1. 编译型语言

编译型语言在程序执行之前有一个专门的编译过程，编译器会把程序编译成针对不同CPU类型的可执行文件，之后再由机器运行这个可执行文件。运行时不再需要重新翻译，直接使用编译的结果就行。编译型语言的工作原理类似于“翻译书籍”。

在同一平台(操作系统)上，编译型语言可以一次编译，无限次运行。只要在首次执行前编译生成相应的可执行文件，以后每次运行时直接运行这个可执行文件即可，因此其运行效率高于解释型语言。

但针对不同平台(操作系统)，要生成的可执行文件却并不相同，因为不同平台支持的函数、类型、变量等可能都不同。所以编译型语言写出来的代码，要想在不同类型的操作系统上运行，必须经历多次不同的编译，故难以实现在不同操作系统间随意地切换，可移植性较差。

2. 解释型语言

解释型语言则是一边转换一边执行，不会把源代码生成可执行的文件。而是会把源码翻译成中间代码，再由解释器对中间代码进行解释运行，每执行一次都要翻译一次。解释型语言的工作原理类似于“同声传译”。

解释型语言写出的代码，每次运行时都要重新转换源代码。会有一个解释器根据操作系统的不同，将源代码转换成不同的机器码。所以相同的源代码，可以实现在不同的平台上运行，即“一次编写，到处运行”。但解释型语言每次执行时都要重新转换源代码，在效率上天生低于编译型语言。

总之，编译型和解释型语言各有其优缺点！

3. Java语言特点

而我们的Java语言，确切地来说，既不是编译型语言，也不是解释型语言，而是结合了以上两种语言类型的优点。Java会先对源代码进行编译，再将编译后的字节码文件解释执行！

接下来，壹哥重点给大家说一下Java语言到底是如何对程序进行处理的。

二、Java程序开发步骤

为了讲清楚Java程序的开发步骤，我们先来看下图：

从上图可以看出，Java对代码的处理过程可以分为3个核心步骤：

1. 编写源程序：这一步是利用各种开发工具，如记事本、eclipse、idea等编写Java代码，生成后缀为.java的源码文件。大家注意，我们可以在任何操作系统中编写Java代码。

2. 编译源程序：这一步是Java编译器对.java文件进行编译，生成后缀为.class的字节码文件。大家注意，这里生成的.class字节码文件，和操作系统也没有关系。

3. 运行：这一步是利用JVM虚拟机，将.class字节码文件加载进虚拟机中运行。大家注意，我们如果想要将生成的.class字节码文件，在不同的操作系统中运行，需要安装对应系统的JVM虚拟机才行。

作为初学者，我们需要记住Java处理代码的以上这三个步骤，即”编写、编译、运行“，另外还要知道编写和编译阶段生成的文件后缀是什么。

壹哥只是简单地给大家展示了以上三个阶段的基本内容，但实际上这三个阶段在JVM中处理起来是非常复杂的，更多详细内容可以参考下图：

当然，对一个初学者来说，你暂时不必掌握的这么细致，这些内容我们会在以后的章节中进行更详细的讲解。了解了Java程序的处理步骤之后，我们再来学习一下什么是”跨平台“。

三、跨平台

1. 概念

首先我们得知道这里的”平台“指的是什么。所谓的平台，其实就是指计算机操作系统，比如windows、linux、mac系统。而跨平台则是软件开发中的一个重要概念，即软件不依赖某个具体的操作系统，也不依赖某个具体的硬件环境。在一个操作系统下开发的应用，放到另一个操作系统下依然可以运行。通俗地说，我们开发出来一个软件，可以同时在windows、linux、mac等系统中运行，这就是”跨平台“！

2. 特性

Java语言具有”跨平台“的特性，是相对于其他编程语言来说的。这是因为Java语言编写出的应用程序，只需要编写一次代码，就可以在不同的系统上运行。而其他的一些高级语言，比如C语言写出的代码，如果想在不同的平台上运行，需要编译成针对不同系统平台的目标代码。比如在Windows系统中编译的C语言程序，在Linux下是不能运行的，需要重新编译成Linux下的目标程序。反之，在Linux下编译的C语言程序，在Windows下也不能运行。

而Java在不同平台上运行时，就不需要针对不同的平台多次重新编译，这样就实现了所谓的“Write Once，Run Anywhere”。

现在你可能会很好奇，为什么C、C++不能实现跨平台，而Java却可以实现跨平台？要想搞清楚这个问题，我们得了解一下什么是JVM虚拟机。

四、JVM虚拟机

1. 概念

JVM：Java Virtual Machine。这是一种抽象的计算机，是在真实的计算机中仿真模拟出各种计算机的功能。简单地说，我们可以把JVM理解成是一个”软件“，该软件相当于一个小型的”计算机系统“。虚拟机有自己完善的硬体架构，如处理器、堆栈、寄存器等，还有各种指令系统。Java虚拟机屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息，使得Java程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码(字节码)，就可以在多种操作系统平台上不加修改地运行。

JVM最核心的一个模块叫Java解释器，相当于是计算机的“CPU”，可以将.class字节码解释成适合不同操作系统的可执行代码。Java解释器实际上就是特定系统平台下的一个应用程序，只要实现了这个解释器程序，Java字节码就能通过该解释器在该平台下运行，这是Java之所以可以实现跨平台的根本原因所在！

但目前并不是所有的操作系统都有自己对应的Java解释器，所以Java程序并不能在所有的操作系统下运行。它只能在已实现了Java解释器的平台中运行，比如windows、linux、mac等主流平台。

2. 种类

目前商用的Java虚拟机有很多种，其中比较主流的有如下几个：

1. 适用于JavaSE/JavaEE平台的主流JVM(按流行程度递减)：HotSpot VM、J9 VM、Zing VM。

2. 适用于JavaME平台的主流JVM：CLDC-HI、J9 VM；

3. 适用于Android系统的主流JVM：Dalvik VM、ART VM；

4. 其他。

对于以上这些虚拟机种类，我们作为初学者简单了解即可，尤其是对HotSpot VM有印象就行，这是我们进行Java开发默认使用的标准JVM。

3. 跨平台实现原理(重点)

有了以上这些知识的铺垫，我们就可以尝试着理解Java之所以可以实现跨平台的原理了！

3.1 C语言的编译过程

为了能让大家搞清楚Java的跨平台原理，我们还是先拿C语言的编译过程进行对比，如下图所示：

从上图可知，在windows系统下，我们编写的C语言源码文件后缀是.c，在windows平台下进行编译会生成后缀名为.exe的可执行文件，经常安装软件的同学应该对这个.exe后缀不陌生。生成.exe文件后，就可以在windows系统中运行了。

但是如果我们换一个linux操作系统，即使是同样的C语言代码，在没有进行重新编译的前提下，是无法直接运行的。windows里的.exe可执行文件，在linux中是不能执行的！所以我们需要将之前的C语言程序，针对linux平台重新编译，生成适合于linux平台的可执行文件才行。

以上就是C语言针对不同平台的编译过程，换一个平台就得编译一次，所以C语言是无法实现跨平台的！但Java却可以实现跨平台，它是怎么做到的呢？我们往下看！

3.2 Java语言的编译过程

Java之所以可以实现跨平台，最根本的原因是由于JVM虚拟机的存在！我们先来看下图：

根据上图，并结合之前壹哥给大家讲过的Java编程步骤，我们知道Java编程要经历编写、编译、执行这三个核心步骤。而在执行之前，我们会把.java源码文件编译成.class字节码文件，这里的.java文件、.class文件和具体的操作系统无关，无论是windows/linux/mac等任何系统，这些文件都是一样的。那Java到底是依靠什么，才能实现不同操作系统上跨平台的呢？从上图可以很明显的看出，关键在于JVM Java虚拟机！正是因为存在JVM虚拟机，所以Java才能实现跨平台！

那JVM又是如何实现跨平台的呢？

3.3 JVM跨平台实现机制

JVM之所以可以实现跨平台，原理其实很简单！其实JVM本身并没有实现跨平台，也就是说不同的操作系统中，需要不同的JVM虚拟机，如下图所示：

所以，如果我们想在Windows系统下开发Java项目，就需要去Oracle官网下载安装一个Windows版的JVM；如果我们想在Linux系统下开发Java项目，就需要去Oracle官网下载安装一个Linux版的JVM；其他系统以此类推。也就是说，.java文件、.class文件，无论在哪个系统上都是一样的，但JVM是不一样的，基于此实现了跨平台！如下图所示：

从上图可知，Java源程序编译后生成的.class字节码，.class字节码文件运行在JVM虚拟机上，并不直接运行在具体的Windows系统上，而JVM虚拟机又分为Windows版、Linux版、Mac版。JVM充当了中间人的角色，把.class文件和操作系统分割并联系了起来，.class文件不和操作系统直接交互，而是由JVM和操作系统进行交互。

我们可以在Windows、Linux、Mac等任意系统中编写Java程序，并生成.class字节码文件，但要想实现跨平台，则需要安装Windows、Linux、或Mac等系统自己版本的JVM虚拟机。然后把字节码文件放到不同系统下的JVM虚拟机中运行，这样就实现了所谓的跨平台。这样我们程序员就只需要去编写和编译Java代码，至于跨平台的事情，是JVM要做的，我们不关心！

所以说，Java跨平台的根本原理，就是通过JVM虚拟机来实现的！但你要知道，Java语言是跨平台的，JVM却不是跨平台的，不同的操作系统有不同版本的JVM！

五、结语

至此，壹哥就重点把跨平台的实现原理给各位讲解了，现在你知道Java为什么可以实现跨平台了吗？如果你还有不明白的地方，可以在评论区留下你的问题。

六、今日作业

第一题

请简述编译型语言和解释型语言的区别，请在评论区给出你的答案。

第二题

简述Java程序的开发步骤有哪些？每个阶段生成的文件后缀是什么？评论区给出你的答案吧。

第三题

请简述JVM虚拟机实现跨平台的基本原理，在评论区给出你的答案。

【下篇预告】

Java学习必备内容——Java开发环境的搭建