Java編譯原理

　　Java 虛擬機(jī)（JVM）是可運(yùn)行Java 代碼的假想計算機(jī)。只要根據(jù)JVM規(guī)格描述將解釋器移植到特定的計算機(jī)上，就能保證經(jīng)過編譯的任何Java代碼能夠在該系統(tǒng)上運(yùn)行。

　　一、Java源文件的編譯、下載 、解釋和執(zhí)行

　　Java應(yīng)用程序的開發(fā)周期包括編譯、下載 、解釋和執(zhí)行幾個部分。Java編譯程序?qū)ava源程序翻譯為JVM可執(zhí)行代碼？字節(jié)碼。這一編譯過程同C/C++ 的編譯有些不同。當(dāng)C編譯器編譯生成一個對象的代碼時，該代碼是為在某一特定硬件平臺運(yùn)行而產(chǎn)生的。因此，在編譯過程中，編譯程序通過查表將所有對符號的引用轉(zhuǎn)換為特定的內(nèi)存偏移量，以保證程序運(yùn)行。Java編譯器卻不將對變量和方法的引用編譯為數(shù)值引用，也不確定程序執(zhí)行過程中的內(nèi)存布局，而是將這些符號引用信息保留在字節(jié)碼中，由解釋器在運(yùn)行過程中創(chuàng)立內(nèi)存布局，然后再通過查表來確定一個方法所在的地址。這樣就有效的保證了Java的可移植性和安全 性。

　　運(yùn)行JVM字節(jié)碼的工作是由解釋器來完成的。解釋執(zhí)行過程分三部進(jìn)行：代碼的裝入、代碼的校驗(yàn)和代碼的執(zhí)行。裝入代碼的工作由“類裝載器”（class loader）完成。類裝載器負(fù)責(zé)裝入運(yùn)行一個程序需要的所有代碼，這也包括程序代碼中的類所繼承的類和被其調(diào)用的類。當(dāng)類裝載器裝入一個類時，該類被放在自己的名字空間中。除了通過符號引用自己名字空間以外的類，類之間沒有其他辦法可以影響其他類。在本臺計算機(jī)上的所有類都在同一地址空間內(nèi)，而所有從外部引進(jìn)的類，都有一個自己獨(dú)立的名字空間。這使得本地類通過共享相同的名字空間獲得較高的運(yùn)行效率，同時又保證它們與從外部引進(jìn)的類不會相互影響。當(dāng)裝入了運(yùn)行程序需要的所有類后，解釋器便可確定整個可執(zhí)行程序的內(nèi)存布局。解釋器為符號引用同特定的地址空間建立對應(yīng)關(guān)系及查詢表。通過在這一階段確定代碼的內(nèi)存布局，Java很好地解決了由超類改變而使子類崩潰的問題，同時也防止了代碼對地址的非法訪問。

　　隨后，被裝入的代碼由字節(jié)碼校驗(yàn)器進(jìn)行檢查。校驗(yàn)器可發(fā)現(xiàn)操作數(shù)棧溢出，非法數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)化等多種錯誤。通過校驗(yàn)后，代碼便開始執(zhí)行了。

　　二、Java字節(jié)碼的執(zhí)行有兩種方式：

　　1、即時編譯方式：解釋器先將字節(jié)碼編譯成機(jī)器碼，然后再執(zhí)行該機(jī)器碼。

　　2、解釋執(zhí)行方式：解釋器通過每次解釋并執(zhí)行一小段代碼來完成Java字節(jié)碼程 序的所有操作。

　　通常采用的是第二種方法。由于JVM規(guī)格描述具有足夠的靈活性，這使得將字節(jié)碼翻譯為機(jī)器代碼的工作

　　具有較高的效率。對于那些對運(yùn)行速度要求較高的應(yīng)用程序，解釋器可將Java字節(jié)碼即時編譯為機(jī)器碼，從而很好地保證了Java代碼的可移植性和高性能。

　　Java程序編譯和運(yùn)行的過程

　　Java整個編譯以及運(yùn)行的過程相當(dāng)繁瑣，本文通過一個簡單的程序來簡單的說明整個流程。

　　如下圖，Java程序從源文件創(chuàng)建到程序運(yùn)行要經(jīng)過兩大步驟：

　　1、源文件由編譯器編譯成字節(jié)碼（ByteCode）

　　2、字節(jié)碼由java虛擬機(jī)解釋運(yùn)行。因?yàn)閖ava程序既要編譯同時也要經(jīng)過JVM的解釋運(yùn)行，所以說Java被稱為半解釋語言（ “semi-interpreted” language）。

　　下面通過以下這個java程序，來說明java程序從編譯到最后運(yùn)行的整個流程。代碼如下：

　　第一步（編譯）： 創(chuàng)建完源文件之后，程序會先被編譯為.class文件。Java編譯一個類時，如果這個類所依賴的類還沒有被編譯，編譯器就會先編譯這個被依賴的類，然后引用，否則直接引用，這個有點(diǎn)象make。如果java編譯器在指定目錄下找不到該類所其依賴的類的.class文件或者.java源文件的話，編譯器話報“cant find symbol”的錯誤。

　　編譯后的字節(jié)碼文件格式主要分為兩部分：常量池和方法字節(jié)碼。常量池記錄的是代碼出現(xiàn)過的所有token（類名，成員變量名等等）以及符號引用（方法引用，成員變量引用等等）；方法字節(jié)碼放的是類中各個方法的字節(jié)碼。下面是MainApp.class通過反匯編的結(jié)果，我們可以清楚看到.class文件的結(jié)構(gòu)：

　　第二步（運(yùn)行）：java類運(yùn)行的過程大概可分為兩個過程：1、類的加載 2、類的執(zhí)行。需要說明的是：JVM主要在程序第一次主動使用類的時候，才會去加載該類。也就是說，JVM并不是在一開始就把一個程序就所有的類都加載到內(nèi)存中，而是到不得不用的時候才把它加載進(jìn)來，而且只加載一次。

　　下面是程序運(yùn)行的詳細(xì)步驟：

　　1、在編譯好java程序得到MainApp.class文件后，在命令行上敲java AppMain。系統(tǒng)就會啟動一個jvm進(jìn)程，jvm進(jìn)程從classpath路徑中找到一個名為AppMain.class的二進(jìn)制文件，將MainApp的類信息加載到運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)的方法區(qū)內(nèi)，這個過程叫做MainApp類的加載。

　　2、然后JVM找到AppMain的主函數(shù)入口，開始執(zhí)行main函數(shù)。

　　3、main函數(shù)的第一條命令是Animal animal = new Animal（“Puppy”）;就是讓JVM創(chuàng)建一個Animal對象，但是這時候方法區(qū)中沒有Animal類的信息，所以JVM馬上加載Animal類，把Animal類的類型信息放到方法區(qū)中。

　　4、加載完Animal類之后，Java虛擬機(jī)做的第一件事情就是在堆區(qū)中為一個新的Animal實(shí)例分配內(nèi)存， 然后調(diào)用構(gòu)造函數(shù)初始化Animal實(shí)例，這個Animal實(shí)例持有著指向方法區(qū)的Animal類的類型信息（其中包含有方法表，java動態(tài)綁定的底層實(shí)現(xiàn)）的引用。

　　5、當(dāng)使用animal.printName（）的時候，JVM根據(jù)animal引用找到Animal對象，然后根據(jù)Animal對象持有的引用定位到方法區(qū)中Animal類的類型信息的方法表，獲得printName（）函數(shù)的字節(jié)碼的地址。

　　6、開始運(yùn)行printName（）函數(shù)。

　　特別說明：java類中所有public和protected的實(shí)例方法都采用動態(tài)綁定機(jī)制，所有私有方法、靜態(tài)方法、構(gòu)造器及初始化方法《clinit》都是采用靜態(tài)綁定機(jī)制。而使用動態(tài)綁定機(jī)制的時候會用到方法表，靜態(tài)綁定時并不會用到。本文只是講述java程序運(yùn)行的大概過程，所以并沒有細(xì)加區(qū)分。