第一行代码 Hello world 背后的逻辑

计算机俗称电脑，只不过它是一种通过通电来模拟人脑的工具，是一种可以进行数学、逻辑运算，还具有存储记忆功能的智能设备，目前是人类的小助手。计算机是以为人类服务为宗旨的。我们人类希望计算机以后能真的像人一样去工作，从而解放人力，这是对计算机的终极目标。记得上大学时第一门接触的语言是C语言，后来又陆续接触到Java,Php,Python,Go等，入门的第一行代码都是hello world,但是，你真的了解hello world是如何产生的吗？下面我们来一起探讨下Java语言第一行代码是如何执行的，当然，在这之前，我们需要提前了解以下小知识

1.计算机硬件知识

2.计算机操作系统知识

3.计算机语言发展史

4.JVM(Java Virtual Machine) java虚拟机

下面我们一起聊下这几个知识点：

1. 计算机硬件知识

1.1 计算机硬件组成

1.1.1 控制器

是计算机的指挥系统，负责控制计算机其他硬件的运行，相当于人的大脑

1.1.2 运算器

包括数学运算和逻辑运算，相当于人的大脑

控制器+运算器=CPU（central processing unit 中央处理器）

1.1.3 存储器

1.1.3.1 内存（主存）

如内存条（又称随机存储器），存取速度快，但是基于电工作，一旦断电数据就丢失，只能临时存储。类似于人的记忆功能，容易断片。

1.1.3.2 外存

如硬盘，存取速度相对内存很慢，数据可以近似“永久”保存。类似于使用的笔记本

1.1.4 输入设备（Input）

计算机接收外界输入数据的工具，如键盘、鼠标等

1.1.5 输出设备（Output）

计算机向外输出数据的工具，如显示屏、打印机等

1.2 CPU、存储器之间的关系

CPU：负责运行人类的程序，人们通过程序控制CPU，再通过CPU控制计算机其他硬件，其存取的数据指令都来自于内存,由于内存只能保存临时数据，而CPU必须通过内存读取数据，故电脑在开机的时候会将部分数据从硬盘加载到内存。

1.3 计算机分代

1.3.1 第一代计算机

真空管和穿孔卡片（真空管易烧断、浪费计算机资源、串行）

1.3.2 第二代计算机（大型机）

晶体管和批处理系统（晶体管提高了计算机的可靠性）

1.3.3 第三代计算机

集成电路芯片和多道程序设计技术 ( 不再需要人的参与，解决了人参与的耗时问题，基于通道技术实现了CPU和IO设备的并行)

1.3.4 第四代计算机

大规模集成电路芯片，微处理器的发明导致了个人计算机（微型计算机）的普及

由于计算机越来越普及，让操作系统的存在存在了重要意义，它隐藏了丑陋复杂的硬件接口，并提供管理、调度进程，将多线程对硬件的竞争变得更加有序。

2、操作系统

2.1 操作系统

能够控制，协调、管理计算机硬件资源和应用软件资源的一类控制程序。现流行的操作系统有：Windows、Linux、Mac等

2.2 操作系统的意义

控制计算机硬件的基本运行，将计算机硬件复杂的操作细节封装成简单一致的接口（功能）供上层应用软件或用户使用

2.3 程序、进程、线程的区别

2.3.1 程序

是一组计算机语言编写的指令的有序集合（一堆代码）

2.3.2 进程

可定义为正在执行的程序，在计算机中执行的任何程序实例都可称为进程，一个程序可以有多个进程。比如：QQ,支付宝

2.3.3 线程

是指某一进程中单独运行的子程序，可看作轻量型进程，可以看做是进程中运行代码的过程，所以线程存在于进程中，一个进程由一个或多个线程组成。

由于各种各样操作系统的存在，让计算机高级语言的开发变得复杂

3. 计算机语言发展史

3.1 第一代语言：机器语言

机器语言是机器能直接识别的程序语言或指令代码，无需经过翻译。

我们都知道计算机的基本计算方式都是基于二进制的方式。如下就是一段典型的机器语言代码：

这种代码计算机可以直接执行，它舒服了，可是人不爽啊，这些语言机器能识别，我们不好操作啊，So , 第二代计算机语言产生了

3.2 第二代语言：汇编语言。

汇编语言用一些简单的助记符代替了操作码，用地址符号或标号代替地址码。这用符号代替了机器语言的二进制码。所以，汇编语言也称为符号语言。

比起机器语言，汇编语言已经算大大进步了，至少有部分符号是我们人类定义的，至少部分符号可以很直观的看懂了，但这还不够，于是第三代语言产生了。

3.3 第三代语言：高级语言。

高级语言就进入了“面向人类”的语言，这个时候大部分代码人类都是能看懂的，但是机器不care啊

所以，这个时候就需要一个应用程序去将人类的语言翻译成机器语言，就相当于人类的翻译官。

package org.example;public class HelloWorld {public static void main(String[] args) {System.out.println("Hello world");}
}

后续我们根据jvms相关规则来解读下这个class文件

JVM的出现屏蔽了平台，无需关心操作系统，使高级语言开发成本大大降低

4 JVM(Java Virtual Machine) java虚拟机

4.1 JVM的定义

JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写，JVM是一种用于计算设备的规范，它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。

4.2 JVM的作用

引入Java语言虚拟机后，Java语言在不同平台上运行时不需要重新编译。JVM屏蔽了与具体平台相关的信息，使得编译程序只需生成符合在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可以在多种平台上不加修改地运行。

5 终章：Java中Hello world是如何打印出来的

经过以上及部分的了解，下面我们基于以上知识串一下 Hello world到底是如何打印出来的

5.1 预准备事项

语言：JAVA

首先：要有硬件（CPU + 内存 + 外存）

其次：也要有软件（各种操作系统）

最后：还要有JDK( Java Development Kit ) Java 语言的软件开发工具包,JDK安装，环境变量及PATH配置请提前准备好，JDK包含JVM及其他的一些工具包

5.2 class文件详解

以上都准备好之后，安装 JDK, 安装完成之后，就该我们的HelloWorld.java出场了

package org.example;public class HelloWorld {public static void main(String[] args) {System.out.println("Hello world");}
}

之前说过，HelloWorld文件是人类识别的语言，可这玩意计算机不认啊，那咋办？

话不多说，请我们的翻译官javac上场，

5.2.1 编译

javac HelloWorld.java

对应的class文件如下

javac将 java 文件按计算机的要求翻译成计算机能识别的二进制文件，

在编译的过程中Java会有一些常规的校验，比没有漏掉括号，分号之类的，

如果都通过，这个时候就会将.java文件编译成对应的.class文件

5.2.2 class文件结构

下面我们可以通过jdk自带的工具javap 看下这个文件的结构如下

我们可以看到这个类大小是557 bytes

通过jdk1.8编译的

有33个常量

两个方法，一个默认参数为空的构造方法，一个main方法

还有一些堆栈相关的信息

如果有同事感兴趣，后续可以根据 JVMS详细解读下上面的class文件

D:\ws\target\classes\org\example>javap -verbose HelloWorld.class
Classfile /D:/ws/target/classes/org/example/HelloWorld.class
Last modified 2021-8-10; size 557 bytesMD5 checksum 3a131c437ac2a08603d1d167500d29feCompiled from "HelloWorld.java"
public class org.example.HelloWorldminor version: 0major version: 52flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPERConstant pool:#1 = Methodref          #6.#20         // java/lang/Object."<init>":()V#2 = Fieldref           #21.#22        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;#3 = String             #23            // Hello world#4 = Methodref          #24.#25        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V#5 = Class              #26            // org/example/HelloWorld#6 = Class              #27            // java/lang/Object#7 = Utf8               <init>#8 = Utf8               ()V#9 = Utf8               Code#10 = Utf8               LineNumberTable#11 = Utf8               LocalVariableTable#12 = Utf8               this#13 = Utf8               Lorg/example/HelloWorld;#14 = Utf8               main#15 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V#16 = Utf8               args#17 = Utf8               [Ljava/lang/String;#18 = Utf8               SourceFile#19 = Utf8               HelloWorld.java#20 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V#21 = Class              #28            // java/lang/System#22 = NameAndType        #29:#30        // out:Ljava/io/PrintStream;#23 = Utf8               Hello world#24 = Class              #31            // java/io/PrintStream#25 = NameAndType        #32:#33        // println:(Ljava/lang/String;)V#26 = Utf8               org/example/HelloWorld#27 = Utf8               java/lang/Object#28 = Utf8               java/lang/System#29 = Utf8               out#30 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;#31 = Utf8               java/io/PrintStream#32 = Utf8               println#33 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V{
public org.example.HelloWorld();descriptor: ()Vflags: ACC_PUBLICCode:stack=1, locals=1, args_size=10: aload_01: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V4: returnLineNumberTable:line 3: 0LocalVariableTable:Start  Length  Slot  Name   Signature0       5     0  this   Lorg/example/HelloWorld;public static void main(java.lang.String[]);descriptor: ([Ljava/lang/String;)Vflags: ACC_PUBLIC, ACC_STATICCode:stack=2, locals=1, args_size=10: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;3: ldc           #3                  // String Hello world5: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V8: returnLineNumberTable:line 5: 0line 6: 8LocalVariableTable:Start  Length  Slot  Name   Signature0       9     0  args   [Ljava/lang/String;}SourceFile: "HelloWorld.java"

编译好之后，就静静的躺在硬盘上等着JVM的加载

5.3 启动

通过

java HelloWorld

启动HelloWorld程序，

在启动程序的过程中，

程序首先启动JVM，

通过ClassLoader ( 类加载器 ) ,并以双亲委派机制，找到对应path下的class文件，将HelloWorld.class文件从硬盘经过一系列（loading -> linking -> initializing）的过程加载到JVM。

然后找到入口方法main方法，

看下我们之前通过javap查看的这个栈帧相关的信息，

如函数名称，参数，最大栈深度，本地变量容量，传入参数个数，以及栈帧相关操作，局部变量表等等

 public static void main(java.lang.String[]);descriptor: ([Ljava/lang/String;)Vflags: ACC_PUBLIC, ACC_STATICCode:stack=2, locals=1, args_size=10: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;3: ldc           #3                  // String Hello world5: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V8: returnLineNumberTable:line 5: 0line 6: 8LocalVariableTable:Start  Length  Slot  Name   Signature0       9     0  args   [Ljava/lang/String;

通过一系列的入栈，出栈以等操作，从而打印出Hello world这几个字符串。

这就是JAVA的第一行代码Hello world执行的整个过程，以上内容仅为个人理解，如有不对的地方欢迎大家探讨指正。

参考文献：
《深入理解Java虚拟机》第二版周志明著
《The Java Virtual Machine Specification, Java SE 8 Edition》