1.1 Java程序与运行

Java语言是由C语言发展而来的，其继承了C语言的所有优良特征，并去除了C语言的一些容易引起错误的语句，是一个彻底的纯面向对象的程序设计语言，最重要的是Java的可执行代码不依赖于任何现有的操作系统和计算机中的CPU（中央处理器）。

1.1.1 Java语言的特征

Java语言的特征可以高度概括为：Java是一个简单的、面向对象的、分布的、解释的、健壮的、安全的、独立于平台的、可移植的、可扩展的、高性能的、多线程的及动态的程序设计语言。

Java是一个编译和解释型语言，Java的源程序代码通过Java编译器（Sun Microsystems公司提供的Java语言程序开发工具）将Java语言文本代码编译为（翻译为）Java字节代码（称为Java的可执行代码），该代码是运行在Java虚拟机环境中的。Java程序的编译和解释执行的特性如图1-1所示。

1.1.2 Java虚拟机

Java虚拟机（Java Virtual Machine，JVM）是运行Java程序的支持系统，用于解释Java字节代码并执行代码所要完成的操作。Java虚拟机是与计算机硬件和操作系统相关联的，是由发明Java语言的Sun Microsystems公司根据不同的CPU或计算机操作系统制作而成的，即针对不同的CPU或操作系统解释Java字节代码，将Java字节代码翻译为指定的CPU或操作系统可识别并能够执行的指令代码，也就是将Java字节代码转化成实际硬件设备的调用。因此，Java虚拟机针对指定的CPU或操作系统也被称为Java解释器，专门用于支持Java程序运行，是面向Java语言程序的一个独立运行系统（Java Runtime System）。另外，Java虚拟机未必非要运行在某种操作系统之上，其下面可以直接是各种CPU芯片，对于每一种操作系统或CPU，Java解释器是不同的，但实现的Java虚拟机功能是相同的，这就是Java语言程序与平台无关的关键所在。

Java语言应用程序分为两种形式：Application应用程序和Applet小程序。Java源程序通过Java编译器生成可执行的Java字节代码，Application应用程序是由Java虚拟机支持运行的，Applet小程序是由嵌入了Java虚拟机的Web浏览器支持运行的，目前几乎所有Web浏览器都嵌入了Java虚拟机，计算机CPU和Web浏览器支持Java应用程序运行的层次关系如图1-2所示。

Java虚拟机由5个部分组成：一组指令集、一组寄存器、一个堆栈、一个无用内存单元收集器和一个方法区域。这5部分是Java虚拟机逻辑抽象成分，不依赖于任何实现技术或组织，但是它们的功能在某种真实机器上（确定的CPU或操作系统）是一致的。Java虚拟机也有类似微处理器（CPU）中的寄存器，它们用于保存机器的运行状态。Java虚拟机的寄存器有4种：Java语言程序计数器（pc）、指向操作数栈顶端的指针（optop）、指向当前执行方法的执行环境指针（frame）、指向当前执行方法局部变量区第一个变量的指针（var）。Java虚拟机是用堆栈处理数据传递的，它不定义或使用寄存器传递或接收参数，其目的是为了保证指令集的简洁性和实现时的高效性。Java虚拟机的堆栈有3个区域：局部变量区、执行环境区和操作数区。Java虚拟机的堆栈是Java应用程序运行时刻动态分配的对象存储区域并是可自动回收的，Java虚拟机的内部结构和运行机制都是围绕着解释Java字节代码而制定的。

1.1.3 Java字节代码

Java虚拟机可以解释240多个字节代码，每个字节代码的执行相当于一种基础的CPU运算或操作。Java字节代码也可以称为Java语言指令集，相当于Java语言程序的“汇编语言”。Java语言指令集的一条指令有一个操作码、0个或多个操作数，操作码指定实施的操作，操作数是操作码所需的参数，Java语言的操作码均为一字节长，操作数没有限制。由Java字节代码组成的指令是不依赖于任何CPU或操作系统的，而是针对Java虚拟机设计的。Sun Microsystems公司提供的Java语言程序开发环境中的Java编译器可将Java源程序代码编译成Java字节代码指令，这些指令被Java的运行系统（Java虚拟机）有效地解释并运行。另外，Java字节代码也被称为类（class）代码。

1.1.4 Java编译单元

Java语言源程序是由一个或多个Java编译单元（compilation unit）组成的。Java编译单元由Java语句组成，每个编译单元只能包含下列语句内容：一个程序包语句（package statement）、一组导入语句（import statements）、一个或多个类的声明语句（class declarations）、一个或多个接口声明语句（interface declarations）。每个Java的编译单元可包含多个类或接口，但是每个编译单元最多只能有一个类或者接口是公共的。

Java编译单元是以公共的类或者接口名为文件名，以.java为后缀保存在磁盘中的，Java编译器则是针对∗.java文件实施编译的，编译后可生成存放在磁盘中的Java字节代码，字节代码是以.class为后缀的文件名（∗.class）形式存放的，在一个Java编译单元中如果定义了多个类和接口，则编译后每个类和接口都是以独立的类文件名（∗.class，∗为类或接口名）存放在磁盘中的。

【示例1-1】 Java编译单元的程序源代码，包含两个类，但只有一个被修饰为公共（public）类。

该编译单元以HelloWorld.java（公共类名）为文件名存放在磁盘中，通过Java编译器编译后在磁盘中将产生HelloWorld.class和AnotherClass.class两个类文件，它们组成了HelloWorld.java编译单元的可执行字节代码。

【示例1-2】 包含一个公共（public）接口的一个编译单元的程序源代码。

该编译单元以InterfaceName.java（公共接口名）为文件名存放在磁盘中，通过Java编译器编译后将在磁盘中产生以InterfaceName.class为文件名的类文件。

Java编译单元中的源程序框架结构是确定的，Java程序要实现的功能都应该编写在类或接口中，源程序代码将由标识符、关键字、变量定义、表达式、流控制语句等按照Java语法规则组成，它们都应编写在Java编译单元中类或接口定义的花括号{}中。