为什么 Java 和 JS 等语言需要 VM，不能直接操作内存堆栈空间？

Java 和 JavaScript 等语言之所以需要虚拟机（VM），而不是直接操作内存堆栈空间，是出于多方面的原因，这些原因共同构成了现代编程语言设计的重要基石。简单来说，虚拟机提供了一种抽象层，它屏蔽了底层硬件的细节，带来了跨平台性、安全性、内存管理自动化、更高级别的抽象等诸多优势。

下面我们来详细解释：

1. 抽象层与跨平台性 (Abstraction and Platform Independence)

底层语言（如 C/C++）如何操作内存？
在像 C 或 C++ 这样的底层语言中，程序员可以直接声明变量，这些变量会被分配到堆栈（Stack）或堆（Heap）上。
堆栈（Stack）：用于存储局部变量、函数参数以及函数调用的返回地址。其内存分配和释放是自动的，遵循后进先出（LIFO）的原则。函数调用时，会在栈顶创建一个新的栈帧；函数返回时，栈帧被弹出。
堆（Heap）：用于存储动态分配的对象。程序员使用 `malloc`（C）或 `new`（C++）等函数显式地请求内存，并使用 `free` 或 `delete` 来释放。内存的分配和管理是手动进行的。
直接操作内存地址：更进一步，C/C++ 允许使用指针直接访问和操作内存地址。这意味着你可以读取或写入任何内存位置，这提供了极大的灵活性，但也带来了巨大的风险。

为什么 Java 和 JS 不能直接操作？
硬件差异：计算机硬件架构千差万别（CPU 架构、内存模型、操作系统等）。如果 Java 或 JS 代码直接操作内存，那么为 x86 架构编写的代码可能在 ARM 架构上无法运行，甚至在同一架构但不同操作系统的机器上也会出现问题。
编译过程 vs. 解释/即时编译过程：
C/C++: 代码被直接编译成特定平台的机器码。这意味着编译器的输出已经针对目标硬件进行了优化和适配。
Java: Java 代码首先被编译成字节码 (Bytecode)，这是一种与平台无关的中间表示。然后，Java 虚拟机（JVM）在运行时解释或即时编译（JIT）这些字节码，将其转换为目标平台的机器码。
JavaScript: JavaScript 通常是解释执行的，或者通过即时编译（JIT）引擎（如 V8）进行优化。它不直接生成机器码，而是通过一个运行时环境（浏览器内置的 JS 引擎或 Node.js 的 V8 引擎）来执行。

虚拟机的作用：虚拟机就像一个“模拟”的计算机，它提供了一个统一的、标准化的运行环境。无论你的 Java 字节码或 JavaScript 代码是在 Windows、macOS、Linux 上运行，还是在 Intel CPU、ARM CPU 上运行，JVM 或 JS 引擎都会负责将这些代码转换为该特定平台可以理解的指令。这意味着你编写一次代码，就可以在任何安装了对应 VM 的平台上运行，实现了 “一次编写，随处运行” (Write Once, Run Anywhere)。

2. 安全性 (Security)

直接操作内存的风险：
缓冲区溢出 (Buffer Overflow): 写入数据超过分配的内存空间，可能会覆盖相邻的变量或代码，导致程序崩溃或被恶意利用。
野指针 (Dangling Pointer): 指向已经释放的内存区域，访问该区域可能读取到无意义的数据，甚至崩溃程序。
内存访问越界: 访问数组或内存块之外的区域，导致不可预测的行为。
数据损坏和信息泄露: 随意修改内存可能导致程序数据混乱，甚至暴露敏感信息。

虚拟机如何提高安全性：
内存隔离: 虚拟机为每个运行的程序维护一个独立的内存空间。程序不能直接访问其他程序的内存，也不能直接访问操作系统的关键内存区域。这有效地防止了恶意程序干扰其他程序或破坏系统。
类型安全 (Type Safety): Java 和 JavaScript 都强制执行严格的类型检查。例如，你不能将一个字符串赋值给一个整数变量。这种类型安全在编译时或运行时被检查，可以防止许多因类型不匹配导致的内存访问错误。
边界检查 (Bounds Checking): 当访问数组元素时，虚拟机（或其运行时引擎）会检查索引是否在有效范围内。如果越界，会抛出一个异常而不是允许访问无效内存。
无指针操作: Java 和 JavaScript 从语言层面取消了显式的指针操作。虽然它们内部有引用指向对象，但这些引用不是裸的内存地址，不能被程序员随意操控或用于进行低级的内存地址运算。这从根本上消除了指针相关的安全漏洞。
垃圾回收 (Garbage Collection GC): 这是安全性的一大体现。

3. 内存管理自动化 (Automated Memory Management)

手动内存管理的问题 (C/C++):
内存泄漏 (Memory Leak): 分配了内存但忘记释放，导致系统可用内存逐渐减少，最终可能导致程序或系统崩溃。
重复释放 (Double Free): 尝试释放已经释放过的内存，可能导致内存损坏。
内存碎片化: 频繁的内存分配和释放可能导致堆中出现许多小的、不连续的可用内存块，使得无法分配大的连续内存块。

虚拟机如何自动化内存管理（垃圾回收 GC）：
原理: 在 Java 和 JavaScript 中，对象通常分配在堆 (Heap) 上。内存的管理（分配和回收）由虚拟机自动完成。当一个对象不再被程序中的任何引用指向时，它就被认为是“垃圾”了。虚拟机中的垃圾回收器 (Garbage Collector GC) 会在某个时间点（通常是自动的，但也可能由虚拟机触发）扫描堆，找出这些不再使用的对象，并回收它们占用的内存空间，使其可以被重新利用。
优点:
减少内存泄漏: 程序员无需手动 `free` 或 `delete` 内存，大大降低了内存泄漏的风险。
简化开发: 开发者可以更专注于业务逻辑，而不是底层内存管理细节。
防止重复释放: 自动管理避免了人为的重复释放错误。

堆栈的自动管理: 即使在虚拟机中，堆栈的空间分配和释放仍然是自动的，由语言的运行时（VM 或 JS 引擎）管理。当函数被调用时，其局部变量、参数等被压入栈；当函数返回时，栈帧被弹出，相关内存被自动释放。这与 C/C++ 的堆栈管理类似，但更受语言规范的约束。

4. 更高级别的抽象与特性 (HigherLevel Abstractions and Features)

面向对象编程 (OOP): Java 是典型的面向对象语言。对象是语言的核心概念，它们封装了数据（属性）和行为（方法）。虚拟机负责对象的创建、生命周期管理以及方法调用。直接操作内存会使对象模型变得复杂和不安全。
异常处理 (Exception Handling): Java 和 JavaScript 提供了结构化的异常处理机制（如 `trycatchfinally`）。当发生错误（如除以零、访问空对象等）时，会抛出异常，并由虚拟机捕获，然后可以被开发者处理，而不是直接导致程序崩溃。这种机制在底层内存操作不被允许的情况下更容易实现和管理。
动态特性 (Dynamic Features 尤其是 JS): JavaScript 是一种高度动态的语言，支持动态类型、动态方法添加/删除、原型链等特性。这些特性依赖于一个灵活的运行时环境（VM 或 JS 引擎）来动态地查找和执行代码，而不是直接操作静态内存布局。
反射 (Reflection): Java 允许在运行时检查和修改类、方法、属性等。这需要一个能够理解和操作程序结构的运行时环境。
内存模型 (Memory Model): 虚拟机也定义了内存模型，规范了变量如何读写，以及线程之间如何同步对内存的访问。这有助于在多线程环境下保证程序的正确性，而直接操作内存则需要开发者自己处理复杂的内存可见性问题。

总结

| 特性 | 直接操作内存 (C/C++) | Java/JavaScript (通过 VM) |
| : | : | : |
| 跨平台性 | 差，需要为特定平台重新编译 | 好，一次编写，随处运行 |
| 安全性 | 低，容易出现缓冲区溢出、野指针等问题 | 高，内存隔离、类型安全、边界检查 |
| 内存管理 | 手动（malloc/free），易出错（内存泄漏、重复释放） | 自动（垃圾回收），简化开发，减少错误 |
| 抽象级别 | 低级，直接与硬件交互 | 高级，屏蔽硬件细节，提供对象、异常等抽象 |
| 开发效率 | 低，需要关注大量底层细节 | 高，开发者专注于业务逻辑 |
| 语言特性支持 | 如显式指针、内存布局控制 | 如面向对象、反射、动态特性等 |
| 性能 | 通常更高（如果优化得当），直接生成机器码 | 可能有损耗（解释/JIT），但现代 JIT 技术已非常接近原生性能 |

总而言之，Java 和 JavaScript 选择通过虚拟机来运行，是为了换取更高的安全性、更好的跨平台性、更简化的内存管理以及更强大的语言特性支持。虽然这种抽象层可能在某些极端性能要求的场景下带来微小的开销，但对于绝大多数应用而言，虚拟机提供的优势远远超过了这些潜在的劣势，使得开发更高效、更安全、更易于维护。

网友意见

第一个，java现在已经不再强调jvm的概念，如果你还在学习所谓的jvm，那你的知识需要更新一下了

以前是这样，jvm是跨平台所需要部分的最小子集，也就是主要用来封装操作系统差异用的，每一个操作系统，都给弄一个jvm，这样暴露给上层的接口就统一了

在jvm的基础之上，加上一些常见的类库，工具，就做成了jre，也就是java的运行时runtime

然后再在jre的基础之上，添加一些编译器等工具，这就是java的sdk了，简称jdk

所以jdk是jre的超集，jre是jvm的超集，反过来，jvm是jre的子集，jre是jdk的子集

一般而言，jvm是native代码，通常用c或者c++编写而成，以前bea的jrockit就是c写的，但是现在用的openjdk和oraclejdk都是hotspot，c++写的，作者叫做lars bak，这个人很重要，记住这个人，等下会说，然后在jvm的基础上，以前再加上java写的rt.jar，就是jre了，过去java会提供jre和jdk两个下载，如果只是运行java的字节码，jar那些的话，你下载jre安装就行了，不需要安装jdk，只有开发者才需要jdk

而java在9的jigsaw之后，就不再使用jvm的概念，因为jre也就是java的运行时可以被定制了，jvm和jre被拆成了一个又一个的模块，你自己可以根据需要，删减或者加入自己编写的模块，我这两天刚做完steamworks sdk的java包装模块，然后我就把steam sdk给加入到我自己的java运行时里面去了，所以我的jre跟你的jre，是不一样的，我的jre支持steam sdk

所以为什么不再强调jvm的概念，就是这个原因，因为java的运行时可以被定制，就不再是以前
jre = jvm+rt.jar
那种搞法了，而是jmods以及其他模块化jars的自由组合，一个常见的会放进去的jmod就是javafx的那些jmods

那几乎所有语言都是runtime运行时，包括c，c++和rust，从这一点上说，java跟c等语言，没有什么本质上的不同，都是运行时

第二个，刚才说的java的vm+runtime部分的做法，其实lars bak也用在了其他地方，比如flutter用的dartvm，然后你说的js，多半指的是v8吧，那这个也是lars bak做的

所以为什么你会觉得，怎么概念都比较接近，因为最开始都是一个人做的，但并不是所有的语言，它都是这样，现在不怎么强调vm虚拟机这个概念，而普遍转向runtime运行时的概念，跟大多数语言保持一致

第三个，java访问内存，当然可以，只是以前java还不行，但是java将会可以这么做，这就是java的panama巴拿马项目正要做的事，比如访问堆外内存^[1]

       MemorySegment segment = MemorySegment.allocateNative(100);

只是说java相对而言，对于内存管理，封装得比较好，就不允许用户轻易访问内存

你真要做，用c写一个，然后用jni包装一层，哪有什么做不了的，以前一大堆人用unsafe，但是不安全，你看这名字就知道了，容易写错

以前就是挑剔gc比较慢嘛，那有问题解决问题，gc现在都被优化到1ms以内，平均是0.1-0.2ms的暂停了^[2]，这个前提下，你就不需要太过于关心gc带来的问题，而可以享受gc带来的内存管理的便捷，是吧，你自己去写，一大堆bugs，直接用不是很好，何必给自己找麻烦？

第四个，编译器

编译器是无所谓你用什么语言写的，但是在一个编程语言还没诞生之前，要实现该语言的编译器，那就只能用其他语言来实现，所以c的第一款编译器，多半是汇编或者介于汇编和c之间的一个语言写出来的，但是现在c的编译器应该已经全部是c自己写的了，还有其他语言写的了

java也是一样，java最早的编译器是c（jrockit）或者c++（hotspot）写的，但是现在出现了java自己写的java编译器，那就是java的圣杯graal^[3]，graal是法语圣杯的意思，graal就是java写的多语言的编译器，它不仅可以编译java，还可以编译其他语言，比如ruby，python那些东西

第五个，编译产物

虽然现在java代码多数还是运行在jre上，也就是java的运行时上，但是，graal出现之后，java可以被编译成native代码，这就跟c很像了，其实之前就有很多技术可以对java做aot，只是一直没有进入主流视野，graal之后算是官方产品，如果你的目标是把产品送上比如app store这种渠道的话，你应该会对这些功能比较熟悉

现在流行的是jit和aot双功能，jit用来开发测试时候使用，真正release的时候，再做aot，也就是编译成native代码，包括但不限于dart/flutter，swift和java，这些都朝着同时支持jit和aot的方向前进

参考

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