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Java是如何实现平台无关性的

开发十年,就只剩下这套架构体系了!!

相信对于很多Java开发来说,在刚刚接触Java语言的时候,就听说过Java是一门跨平台的语言,Java是平台无关性的,这也是Java语言可以迅速崛起并风光无限的一个重要原因。那么,到底什么是平台无关性?Java又是如何实现平台无关性的呢?本文就来简单介绍一下。

什么是平台无关性

平台无关性就是一种语言在计算机上的运行不受平台的约束,一次编译,到处执行(Write Once ,Run Anywhere)。

也就是说,用Java创建的可执行二进制程序,能够不加改变的运行于多个平台。

平台无关性?#20040;?/strong>

作为一门平台无关性语言,无论是在自身发展,还是对开发者的友好度上都是很突出的。

因为其平台无关性,所以Java程序可以运?#24615;?#21508;种各样的设备上,尤其是一些嵌入式设备,如打印机、扫描仪、传真机等。随着5G时代的来临,也会有更多的终端接入网络,相信平台无关性的Java也能做出一些贡献。

对于Java开发者来说,Java减少了开发和部署到多个平台的成本和时间。真正的做到一次编译,到处运行。

平台无关性的实现

对于Java的平台无关性的支持,就像对安全性和网络移动性的支持一样,是分布在整个Java体?#21040;?#26500;中的。其中扮演者重要的角色的有Java语言规范、Class文件、Java虚拟机(JVM)等。

编译原理基础

讲到Java语言规范、Class文件、Java虚拟机就不得不提Java到底是是如何运行起来的。

我们在Java代码的编译与反编译那些事儿中介绍过,在计算机世界中,计算机只认识0和1,所以,真正被计算机执行的其实是由0和1组成的二进制文件。

但是,我们日常开发使用的C、C++、Java、Python等都属于高级语言,而非二进制语言。所以,想要让计算机认识我们写出来的Java代码,那就需要把他”翻译”成由0和1组成的二进制文件。这个过程就叫做编译。负责这一过程的处理的工具叫做编译器。

深入分析Java的编译原理中我们介绍过,在Java平台中,想要把Java文件,编译成二进制文件,需要经过?#35762;?#32534;译,前端编译和后端编译:

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前端编译主要指与源语言有关但与目标机无关的部分。Java中,我们所熟知的javac的编译就是前端编译。除了这种以外,我们使用的很多IDE,如eclipse,idea等,都内置了前端编译器。主要功能就是把.java代码转换成.class代码。

这里提到的.class代码,其实就是Class文件。

后端编译主要是将中间代码再翻译成机器语言。Java中,这一步骤就是Java虚拟机来执行的。

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所以,我们说的,Java的平台无关性实现主要作用于以上阶段。如下图所示:

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我们从后往前介绍一下这三位主演:Java虚拟机、Class文件、Java语言规范

Java虚拟机

所谓平台无关性,就是说要能够做到可以在多个平台上都能无缝对接。但是,对于不通的平台,?#24067;?#21644;操作系统肯定都是不一样的。

对于不同的?#24067;?#21644;操作系统,最主要的区别就是指令不同。比如同样执行a+b,A操作系统对应的二进制指令可能是10001000,而B操作系统对应的指令可能是11101110。那么,想要做到跨平台,最重要的就是可以根据对应的?#24067;?#21644;操作系统生成对应的二进制指令。

而这一工作,主要由我们的Java虚拟机完成。虽然Java语言是平台无关的,但是JVM确实平台有关的,不同的操作系统上面要安装对应的JVM。

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上图是Oracle官网下载JDK的指引,不同的操作系统需要下载对应的Java虚拟机。

有了Java虚拟机,想要执行a+b操作,A操作系统上面的虚拟机就会把指令翻译成10001000,B操作系统上面的虚拟机就会把指令翻译成11101110。

? ps?#21644;?#20013;的Class文件中内容为mock内容

所以,Java之所以可以做到跨平台,是因为Java虚拟机充当了桥梁。他扮演了运行时Java程序与其下的?#24067;?#21644;操作系统之间的缓冲角色。

字节码

各种不同的平台的虚拟机都使用统一的程序存储格式——字节码(ByteCode)是构成平台无关性的另一个基石。Java虚拟机只与由?#32422;?#30721;组成的Class文件进行?#25442;ァ?/p>

我们说Java语言可以Write Once ,Run Anywhere。这里的Write其实指的就是生成Class文件的过程。

因为Java Class文件可以在任何平台创建,也可以被任何平台的Java虚拟机装载并执行,所以才有了Java的平台无关性。

Java语言规范

已经有了统一的Class文件,以及可以在不同平台上将Class文件翻译成对应的二进制文件的Java虚拟机,Java就可以彻底实现跨平台了吗?

其实并不是的,Java语言在跨平台方面也是做了一些努力的,这些努力被定义在Java语言规范中。

比如,Java中基本数据类型的值域和行为都是由其?#32422;?#23450;义的。而C/C++中,基本数据类型是由它的占位宽度决定的,占位宽度则是由所在平台决定的。所以,在不同的平台中,对于同一个C++程序的编译结果会出现不同的行为。

举一个简单的例子,对于int类型,在Java中,int占4个字节,这是固定的。

但是在C++中却不是固定的了。在16位计算机上,int类型的长度可能为两字节;在32位计算机上,可能为4字节;当64位计算机流行起来后,int类型的长度可能会达到8字节。(这里说的都是可能哦!)

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通过保证基本数据类型在所有平台的一致性,Java语言为平台无关性提供强了有力的支持。

小结

对于Java的平台无关性的支持是分布在整个Java体?#21040;?#26500;中的。其中扮演者重要的角色的有Java语言规范、Class文件、Java虚拟机等。

  • Java语言规范
    • 通过规定Java语言中基本数据类型的取值范围和行为
  • Class文件
    • 所有Java文件要编译成统一的Class文件
  • Java虚拟机
    • 通过Java虚拟机将Class文件转成对应平台的二进制文件等

Java的平台无关性是建立在Java虚拟机的平台有关性基础之上的,是因为Java虚拟机屏蔽了底层操作系统和?#24067;?#30340;差异。

语言无关性

其实,Java的无关性不仅仅体现在平台无关性上面,向外扩展一下,Java还具有语言无关性。

前面我们提到过。JVM其实并不是和Java文件进行?#25442;?#30340;,而是和Class文件,也就是说,其实JVM运行的时候,并不依赖于Java语言。

时?#20004;?#26085;,商业机构和开源机构已经在Java语言之外发展出一大批可以在JVM上运行的语言了,如Groovy、Scala、Jython等。之所以可以支持,就是因为这些语言也可以被编译成字节码(Class文锦啊)。而虚拟机并不关心字节码是有哪种语言编译而来的。详见牛逼了,教你用九种语言在JVM上输出HelloWorld

参考资料

《深入理解Java虚拟机(第二版)》 《深入Java虚拟机》 《Java语言规范——基于Java SE 8》 《Java虚拟机规范第8版》

(全文完) 欢迎关注『Java之道』微信公众号
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