Java学习笔记1--JDK，JRE和JVM

1、Java开发环境

Java开发环境是指Java程序员开发、编写、测试和调试Java程序所使用的所有工具和技术。Java开发环境通常由以下几个部分组成：

1. JDK（Java Development Kit）：JDK是Java开发环境的核心组件，它包括了Java编译器、JRE（Java运行环境）、JavaDoc文档生成器和其他一些工具。JDK是Java程序员开发Java应用程序所必需的软件包。

2. IDE（集成开发环境）：IDE是一种集成开发环境，提供了代码编辑器、编译器、调试器、版本控制、自动化构建、测试等功能。比较流行的Java IDE有Eclipse、NetBeans和IntelliJ IDEA等。

3. 版本控制系统：版本控制系统是一种管理源代码修改历史记录的工具，可以跟踪源代码修改并协同开发。比较流行的版本控制系统有Git、SVN等。

4. 构建工具：构建工具用于自动化地构建和打包Java代码，比较流行的Java构建工具有Maven和Gradle等。

5. 测试工具：测试工具用于对Java应用程序进行单元测试、集成测试、性能测试等。JUnit是最为流行的Java单元测试框架之一。

6. 应用服务器：Java应用服务器是一种运行Java应用程序的Web服务器，比较流行的Java应用服务器有Tomcat、Jetty和JBoss等。

2、JDK和JRE

JDK（Java Development Kit）和JRE（Java Runtime Environment）是Java开发和运行环境中的两个重要组件，它们有以下区别：

1. JDK（Java Development Kit）：

   • 功能：JDK是Java开发工具包，用于开发Java应用程序。它包含了Java编译器（javac）、Java虚拟机（JVM）、开发工具（如调试器和监视器）、类库、示例代码和其他一些开发工具。
   • 作用：JDK提供了开发Java应用程序所需的所有工具和库。通过JDK，开发人员可以编写、编译和调试Java代码，并将其转换为可在JRE上运行的字节码。

2. JRE（Java Runtime Environment）：

   • 功能：JRE是Java运行时环境，用于运行已编译的Java应用程序。它包含了Java虚拟机（JVM）、类加载器、运行时类库和其他支持文件。
   • 作用：JRE是Java应用程序的运行环境，当用户想要执行Java程序时，需要安装JRE。JRE负责将Java字节码翻译成机器语言并执行。

简而言之，JDK是用于开发Java应用程序的工具包，它包含了编译器、虚拟机等工具，可以将Java源代码编译成字节码。而JRE是用于运行Java应用程序的环境，它包含了虚拟机和运行时类库，可以执行已经编译的Java字节码。在开发Java应用程序时，需要先安装JDK，而在用户端运行Java应用程序时，只需要安装JRE即可。

举例：Java 8.0 Platform的包含部分图示

3、JDK下载和安装

3.1 下载

下载网址（Oracle公司官网）：www.oracle.com

下载步骤：如图所示，在官网底部选择Developers开发者

（1）在Developers页面中间的技术分类部分，选择Java，单击进入

（2）这里展示的是最新Java版本，例如Java17。单击Download Java，然后选择具体的版本下载。

（3）选择Download Java按钮后

（4）如果想安装Java8 可以选择如下位置：

（5）选择Accept License Agreement，

（6）注册或登录后下载：

（7）如果需要安装其它版本，可以选择Java archive：

接着进行选择下载即可：

3.2 安装

建议：安装路径不要有中文或者空格等特殊符号。

安装步骤：

（1）双击jdk-8_windows-x64_bin.exe文件，并单击下一步

（2）修改安装路径，自定义

（3）将安装路径修改为D:\develop_tools\jdk\jdk-版本号\，并单击下一步

（4）稍后几秒，安装完成

3.3 配置path环境变量

path环境变量是window操作系统执行命令时，所要搜寻的路径。目的是为了在命令行使用javac.exe等工具时，任意目录下都可以找到这个工具所在的目录。

测试：在JDK的安装目录的bin目录下使用javac命令，结果如下

P.S.没有配置path变量前，只能在JDK的安装目录下使用javac命令

JDK8配置方案1：只配置path

（1）桌面此电脑鼠标右键，选择属性——>>选择高级系统设置

（2）在高级选项卡，单击环境变量，如图所示：

（3）在系统变量中，选中Path 环境变量，双击或者点击编辑 ,如图所示：

（4）点击新建，填入D:\develop_tools\jdk\jdk1.8.0_271\bin ，并将此值上移到变量列表的首位。如图所示：

编辑模式1：

编辑模式2：（注意，结尾需要有英文模式下的 ; ）

（5）环境变量配置完成，重新开启DOS命令行，测试：在任意目录下输入javac 或java命令或java -version，运行成功。

JDK8配置方案2：配置JAVA_HOME+path（推荐）

（1）（2）同上

（3）在系统变量中，单击新建 ，创建新的环境变量

（4）变量名输入JAVA_HOME，变量值输入 D:\develop_tools\jdk\jdk1.8.0_271 ，单击确定，如图所示：

（5）选中Path 环境变量，双击或者点击编辑

（6）在变量值的最前面，键入%JAVA_HOME%\bin。如图所示：

注意：强烈建议将%JAVA_HOME%\bin声明在path环境变量中所有变量的最前面！

（7）环境变量配置完成，重启DOS命令行，测试：在任意目录下输入javac 或java命令或java -version，运行成功。

path配置小结

JDK17配置方案：自动配置

因为JDK17在安装之后，自动进行了环境变量的配置。

建议将JDK17安装的路径，设置为JAVA_HOME，并将%JAVA_HOME%\bin上移到首位。

4、Java核心机制：JVM

JVM（Java Virtual Machine）是Java虚拟机的缩写，它是Java程序运行的核心组件。JVM是一个虚拟的计算机，它在物理计算机上模拟了一个执行Java字节码的环境。JVM负责解释和执行Java字节码，实现了跨平台性和代码安全性。

补充：Java字节码

Java字节码是一种中间代码，也称为Java类文件。它是Java源代码编译成的二进制格式，可以被Java虚拟机（JVM）解释执行。Java字节码具有跨平台的特性，因为它可以在任何安装了Java虚拟机的硬件平台和操作系统上运行。

Java字节码是一种基于栈的指令集，它使用压栈、出栈等操作来实现各种语言特性，比如变量赋值、方法调用、控制流等。Java字节码的指令集包括了大量的操作码，可以执行各种不同的操作，比如算术运算、类型转换、对象创建等等。

Java字节码通常由Java编译器生成，它们以.class文件的形式存储。当Java程序被执行时，Java虚拟机会将字节码加载到内存中，并进行解释执行。在执行过程中，Java虚拟机会根据需要将字节码转换成本地代码，从而提高程序的执行效率。

JVM的优点

1.跨平台性：即“Write once , Run Anywhere” ，这是Java的核心优势。比如：Java的int永远都是32位。不像C++可能是16，32，可能是根据编译器厂商规定的变化。 Java字节码可以在任何安装了Java虚拟机的硬件平台和操作系统上运行，这使得Java程序具有很好的可移植和跨平台特性。

2.安全性：Java字节码是经过编译的二进制代码，无法被直接修改，因此可以避免一些安全问题。适合于网络/分布式环境，需要提供一个安全机制以防恶意代码的攻击。如：安全防范机制（ClassLoader类加载器），可以分配不同的命名空间以防替代本地的同名类、字节代码检查。

3.高效性：Java字节码是经过优化的中间代码，可以在运行时进行即时编译，提高程序的执行效率。客观上，高级语言运行效率总是低于低级语言的，这个无法避免。Java语言本身发展中通过虚拟机的优化提升了几十倍运行效率。比如，通过JIT(JUST IN TIME)即时编译技术提高运行效率。

4.面向对象性：面向对象是一种程序设计技术，非常适合大型软件的设计和开发。面向对象编程支持封装、继承、多态等特性，让程序更好达到高内聚，低耦合的标准。

5.健壮性：吸收了C/C++语言的优点，但去掉了其影响程序健壮性的部分（如指针、内存的申请与释放等），提供了一个相对安全的内存管理和访问机制。

6.简单性：Java就是C++语法的简化版，我们也可以将Java称之为“C++--”。比如：头文件，指针运算，结构，联合，操作符重载，虚基类等。

JVM的缺点

1.性能问题：JVM在解释执行Java字节码时，会引入一定的运行时开销，这会影响程序的执行效率。虽然JVM提供了即时编译（JIT）等优化技术，但是在某些场景下，程序的性能仍然无法满足要求。

2.内存占用问题：JVM需要管理程序的内存分配和回收，这会占用一定的系统资源，特别是堆内存的使用情况经常需要进行调优。此外，JVM对于大型应用程序的启动时间也较长。

3.安全性问题：JVM虽然具有一定的安全性，但是它也存在一些漏洞和风险。比如，恶意代码可以通过反射机制绕过JVM的访问控制，从而获取系统敏感信息。

4.异构性问题：JVM在不同的硬件平台和操作系统上可能会表现出不同的性能和特性，这会增加跨平台开发的难度。

5.调试和诊断问题：由于JVM隐藏了Java代码和底层操作系统之间的细节，所以对于一些复杂的问题，调试和诊断可能会比较困难。

JVM图示：

图片来源：https://www.cnblogs.com/darrenqiao/p/9256565.html

JVM模型图示：

图片来源：二、Jvm内存模型_探索jvm底层之内存模型-CSDN博客

JVM的运行过程

1. 类加载：JVM首先需要加载Java字节码文件，这些文件通常是以.class文件的形式存在。类加载器负责将字节码文件加载到内存中，并进行验证、准备和解析等操作。

2. 字节码解释与执行：JVM将加载到内存中的字节码解释成机器码，并按照指令序列依次执行。JVM提供了一组指令集，用于执行各种操作，比如变量赋值、方法调用、条件判断等。

3. 运行时内存区域管理：JVM将运行时内存划分为不同的区域，包括方法区、堆、栈、程序计数器和本地方法栈等。这些区域分别用于存储类信息、对象实例、方法调用栈、线程指令地址等。

4. 垃圾回收：JVM通过垃圾回收器（Garbage Collector）自动管理内存，回收不再使用的对象，释放内存空间。垃圾回收器会根据一定的策略判断对象是否可回收，并进行相应的回收操作。

5. 异常处理：JVM提供了异常处理机制，当程序中发生异常时，JVM会捕获并处理异常。它会在堆栈中查找适合的异常处理器，执行相应的异常处理代码。

JVM的实现原理包括以下几个关键组成部分：

1. 类加载子系统：负责加载、验证、准备和解析类及其依赖的类。

2. 内存管理子系统：负责管理程序运行时的内存分配和回收，包括堆、栈以及方法区等。

3. 执行引擎：负责解释和执行字节码指令，包括解释执行和即时编译执行两种方式。

4. 运行时数据区域：包括方法区、堆、栈、程序计数器和本地方法栈等，用于存储类信息、对象实例、方法调用栈等数据。

JVM的实现原理是基于规范定义的，不同的JVM实现可以有不同的优化和实现方式，但都需要保证符合Java虚拟机规范。这样，Java程序可以在不同的操作系统和硬件平台上运行，实现了Java的跨平台特性。

5、Java程序开发步骤

注意：

Java语言是一门严格区分大小写的语言

标点符号使用问题

不能用中文符号，英文半角的标点符号

括号问题，成对出现

6、源文件与类名

（1）源文件名是否必须与类名一致？public呢？

如果这个类不是public，那么源文件名可以和类名不一致。但是不便于代码维护。

如果这个类是public，那么要求源文件名必须与类名一致。否则编译报错。

建议：不管是否是public，都与源文件名保持一致，而且一个源文件尽量只写一个类，目的是为了好维护。

（2）一个源文件中是否可以有多个类？public呢？

一个源文件中可以有多个类，编译后会生成多个.class字节码文件。

但是一个源文件只能有一个public的类。

7、Java API 文档

API （Application Programming Interface，应用程序编程接口）是 Java 提供的基本编程接口。

Java语言提供了大量的基础类，因此 Oracle 也为这些基础类提供了相应的说明文档，用于告诉开发者如何使用这些类，以及这些类里包含的方法。大多数Java书籍中的类的介绍都要参照它来完成，它是编程者经常查阅的资料。

Java API文档，即为JDK使用说明书、帮助文档。

下载API文档：

在线看：Overview (Java SE 17 & JDK 17)

离线下载：Java Development Kit 17 Documentation

小结

JDK = JRE + 开发工具集（例如Javac编译工具等）

JRE = JVM + Java SE标准类库

综上所述，Java开发环境是一个包含多个部分的工具集合，Java程序员可以使用这些工具来进行Java应用程序的开发、测试、部署和运行。