Java 作为面向对象语言，开发者使用它来设计一个个对象，完成程序的开发。开发完的程序便是一个个 java 文件。而真正运行在计算机中的，并不是Java文件（也不是字节码文件），而是处于内存中的对象，

内存，是程序世界的地球，所有的对象都居住、工作在这里。没有在内存中 “入住” 的对象，无论是存在于 Java 文件还是 class 文件中，都是纸上谈兵，只能称之为对象的定义，或者说是对象的设计“图纸”。

那么 .java 文件中定义的对象是如何变成内存中的对象，又是如何在电脑中运行起来的呢？这就得看今天的主角—— JVM。此外，对象有生产就会有消亡，我们世界的生物不断出生、消亡，重复这个轮回。在Java的世界也是如此。

JVM的核心职责如下：

1. 根据 .Java文件中的对象定义在内存中创建对象。
2. 让对象根据 .Java 文件中定义的行为 “动” 起来，也就是执行对象方法。
3. 清理没用的对象。也就是耳熟能详的垃圾回收。

本文将聚焦在对象创建和方法执行的宏观过程和概念，最后引出Java内存区域。垃圾回收在以后的文章中再做讲解。

下图是JVM工作时所使用的，构造Java世界的 “办公桌”，也就是 JVM 管控的内存区域。右下角便是Java对象的世界。本文最后会对此图详细讲解。咱们先继续向下看。

Java对象从设计到生产

JVM并不能凭空生产出一个对象。我们生活的世界同样如此，制造一个复杂的东西，需要精准的图纸。例如挖一口井。图纸上会标注挖多深，井的直径是多少，所使用的砖的规格等等。讲到这里，我突然想起一个笑话，本来要挖井，但是把设计图拿反了，盖了一个烟囱出来。总之，图纸是生产制造必不可少的东西，“制造对象” 也是如此。

“java编码”的图纸

java 文件，便是程序员生产出来的对象设计图纸。不过 JVM 并不是直接使用 java 图纸来生产对象。原因是 java 文件中的文法结构，对开发者友好，有助于提升开发效率，但是对于 JVM 并不友好。JVM 直接使用的效率并不高。

如果一张 “图纸” 无法同时让设计者和使用者都满意，那么就别生往一块凑了。搞两种格式的设计图，但是表示同样的设计不就OK了？于是便有了 “字节码编码” 的图纸。

“字节码编码”的图纸

class 文件也叫字节码文件，用来存储字节码。字节码是 JVM 用起来更为方便的设计图。为了和java 文件表示同样的设计，字节码通常由 java 文件转化而来。这就是常说的编译。

字节码图纸才是 JVM 能够读懂的图纸。

内存中的图纸

JVM 虽然能够读懂字节码图纸，但是干起活来，直接使用字节码图纸的效率还是很低。因此JVM需要布置一下自己的工作台，它将字节码图纸大卸八块，按照自己工作的需要将图纸一块块放置到自己的工作台（JVM内存方法区）。这样JVM在工作时候，可以做到想看图纸哪个部分，立刻就能找到。比埋头在一张巨大的图纸中去搜寻方便多了。

把字节码图纸 “大卸八块” 放到内存里的过程便是 JVM 的类加载。加载完成后，会生成代表整张图纸（类）的 java.lang.class 对象，通过它可以访问图纸中的各种数据。

总结一下，JVM将 字节码图纸描述的“结构”，进行转换后搬到了内存之中，生成 java.lang.class 对象。JVM创建对象时，使用的是内存中的这张结构化的图纸。

从图纸到对象

程序想要运行起来，需要真的创建出对象，而不能只有存在于图纸中的对象。JVM 会根据内存中的图纸创建出真正的对象，这些对象会进入 “Java的世界” 开始自己的一生，它们的家就是 JVM堆内存。

小结

想要制造对象，首先要开发设计图。Java中的对象设计图，经历了Java 图纸（人类可读）、字节码图纸（JVM可读）、内存中的图纸（JVM可用）。

当图纸进入内存后，JVM便能使用图纸随心所欲的制造对象。

概念理解类比：

人类可读的对象设计图纸：java文件

JVM 可读的对象设计图纸：字节码文件或者流

JVM 可以直接使用的对象设计图纸：以 java.land.class 对象作为代表的，加载到内存中的类

JVM 放置类图纸的工作台：JVM方法区

JVM 安置生产出来的对象的场所：JVM堆

Java对象如何干活

我们已经了解了 Java 对象如何在内存中被创建出来。不过仅仅是创建对象没有任何意义，对象需要能 “动” 起来，才有价值，否则就是一个花瓶，白白浪费寸土寸金的内存空间。

所谓的 “动”，就是对象的方法可以被执行。方法根据特定的输入，按照程序所写逻辑，计算出结果，返回给调用方。

真正的运算，其实是由CPU所承担，程序只负责定义逻辑。我可以打个比方，一位学生在解一道（1+2）*（2+3）的运算题，他手里有一台计算器帮助他运算。我们可以用以下类比。

1. 他的解题思路以及他所掌握的运算顺序，就是程序方法的逻辑代码。
2. 每一步运算用计算器进行计算，比如1+2。计算器就是CPU。
3. 由于涉及到多步计算，中间的计算结果，例如1+2、2+3的得数，需要临时记录在草稿纸上，草稿纸就是栈帧。
4. 学生在解题过程中需要知道自己计算到哪一步了。他可能不会记录在纸上，但一定记在脑子里。程序则需要记在内存里，这块内存区域叫做程序计数器

这里出现了两个新的概念，栈帧和程序计数器。

程序计数器——JVM执行指令的指示器

我们先看程序计数器，它比较简单。程序计数器是内存中非常小的一块空间，用来记录当前线程执行到的字节码行号。

Java 通过切换 CPU 执行的线程，来实现多线程。在某一个时间点，一个 CPU 或者内核，只能执行某一条线程中的指令，因此当线程切换时，需要程序计数器来恢复线程，才能接着向下执行。

即使在同一个线程中，字节码解释器在工作的时候，也需要程序计数器来取得下一条要执行的字节码指令。

程序计数器可以看做是程序执行时，字节码指令的指针。它也是JVM管理的一块内存。

栈帧——方法运行时的草稿纸

我们再来看栈帧。对象的方法在调用过程中，还会调用到其他对象的方法，获得返回值后继续原方法的调用。后面被调用到的方法，会被先执行完。JVM使用栈结构来组织运算的过程，帧中的每个元素是一个栈帧。一个栈帧代表一个方法。只有栈顶的帧正在运行。调用新方法时，会把新方法的栈帧入栈。出栈后，新的处于栈顶的栈帧接棒运行。

栈帧可以看作是对象工作时，记录中间数据的草稿纸。内存中有专门的区域用于存放帧栈，叫做JVM栈。每个线程会有一个独立的栈，可以认为一个JVM栈是一个草稿纸箱子。每个方法执行的时候，分配一张新的草稿纸，草稿纸后进先出。

一个栈帧代表一个方法，栈帧数据结构主要包括如下数据：

1. 局部变量表。存储方法中定义的局部变量。
2. 操作数栈。存储一次计算所需要的操作数，例如计算100+200，JVM需要先将100和200压入操作数栈。执行加法操作时，会将栈顶两个元素取出相加。
3. 动态链接。每个栈帧都包含指向常量池该栈帧所属方法的引用。
4. 返回地址。保存当前方法执行结束时，要去往的地址，例如调用它的方法的程序计数器所指示的位置

下图左侧为JVM栈的结构。右下是基于栈帧结构执行一个简单方法的示例。

小节

方法在执行时，JVM先构造该方法的栈帧。栈帧是方法执行过程中所需要的数据结构以及存储空间。栈帧中的局部变量表用来保存局部变量，操作数栈用来完成基于栈的指令集计算（操作数栈和方法栈帧是两个不同的概念，不要混淆）。

方法的调用和返回，其实就是栈帧的进栈和出栈，只有栈顶栈帧对应的方法处于执行状态。

程序计数器告诉 JVM 需要执行哪一条字节码指令。

Java的内存区域

以上，概述了Java对象的创建、对象中方法的执行。上文已经提到了几种Java的内存区域，我先做个总结。

1. 方法区。线程共享，存储“类图纸”，也就是从class文件加载而来的类型信息。此外还用来保存常量、静态变量。
2. 堆内存。用于存储Java对象
3. 程序计数器。线程私有，记录所执行的字节码指令行号。
4. JVM栈。线程私有，每个方法对应一个栈帧，保存方法中的局部变量，以及为字节码指令提供操作数。

此外，Java内存中还有本地方法栈。它和 JVM 栈的作用类似，只不过 JVM 用本地方法栈来执行本地方法（Native Methhod）。甚至在Hostspot虚拟机中，本地方法栈和JVM栈被合二为一。

这几块区域如下图所示。

总结

本章从宏观上概述了 JVM 虚拟机的两个主要工作，一是 JVM 如何创建对象，二是如何执行对象中的方法。

对象的创建，从它的设计图纸开始。对象设计图纸经历了一步步地演变，从 “Java图纸” 到 “字节码图纸”，最终成为加载到内存中的 “类型图纸”。JVM在运行时，根据内存中的类型图纸创建对象。类型图纸保存在内存的方法区，对象保存在内存堆。

方法的执行，依赖于栈帧结构。Java使用栈帧保存局部变量，并提供操作数栈，以让JVM完成基于栈的指令集执行。栈帧所处于的栈，则是实现了方法间的层次调用，串起一个线程从头到尾的方法调用。JVM对方法的执行主要使用程序计数器和JVM栈这两块内存区域。