JVM原理及调优（3）——编译机制

系列文章规划：

1. JVM原理及调优（1）——内存模型
2. JVM原理及调优（2）——内存管理
3. JVM原理及调优（3）——编译机制
4. JVM原理及调优（4）——类加载机制
5. JVM原理及调优（5）——垃圾回收和调优
6. JVM原理及调优（6）——G1收集器及G1日志分析
7. JVM原理及调优（7）——JDK常用内置工具

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JVM只能够识别Class文件，Java源文件需要经过编译器编译生成字节码文件。

1. 编译

在 Java 中提到“编译”，自然很容易想到 javac 编译器将.java文件编译成为.class文件的过程，这里的 javac 编译器称为前端编译器，其他的前端编译器还有诸如 Eclipse JDT 中的增量式编译器 ECJ 等。相对应的还有后端编译器，它在程序运行期间将字节码转变成机器码（现在的 Java 程序在运行时基本都是解释执行加编译执行），如 HotSpot 虚拟机自带的 JIT（Just In Time Compiler）编译器（分 Client 端和 Server 端）。另外，有时候还有可能会碰到静态提前编译器（AOT，Ahead Of Time Compiler）直接把*.java文件编译成本地机器代码，如 GCJ、Excelsior JET 等，这类编译器我们应该比较少遇到。

javac 编译简要过程：

• 词法、语法分析

  词法分析是将源代码的字符流转变为标记（Token）集合。单个字符是程序编写过程中的的最小元素，而标记则是编译过程的最小元素，关键字、变量名、字面量、运算符等都可以成为标记，比如整型标志 int 由三个字符构成，但是它只是一个标记，不可拆分。

  语法分析是根据Token序列来构造抽象语法树的过程。抽象语法树是一种用来描述程序代码语法结构的树形表示方式，语法树的每一个节点都代表着程序代码中的一个语法结构，如 bao、类型、修饰符、运算符等。经过这个步骤后，编译器就基本不会再对源码文件进行操作了，后续的操作都建立在抽象语法树之上。

• 填充符号表

  完成了语法分析和词法分析之后，下一步就是填充符号表的过程。符号表是由一组符号地址和符号信息构成的表格。符号表中所登记的信息在编译的不同阶段都要用到，在语义分析（后面的步骤）中，符号表所登记的内容将用于语义检查和产生中间代码，在目标代码生成阶段，党对符号名进行地址分配时，符号表是地址分配的依据。

• 语义分析

  语法树能表示一个结构正确的源程序的抽象，但无法保证源程序是符合逻辑的。而语义分析的主要任务是读结构上正确的源程序进行上下文有关性质的审查。语义分析过程分为标注检查和数据及控制流分析两个步骤：

  • 标注检查步骤检查的内容包括诸如变量使用前是否已被声明、变量和赋值之间的数据类型是否匹配等。
  • 数据及控制流分析是对程序上下文逻辑更进一步的验证，它可以检查出诸如程序局部变量在使用前是否有赋值、方法的每条路径是否都有返回值、是否所有的受查异常都被正确处理了等问题。

• 字节码生成

  字节码生成是 javac 编译过程的最后一个阶段。字节码生成阶段不仅仅是把前面各个步骤所生成的信息转化成字节码写到磁盘中，编译器还进行了少量的代码添加和转换工作。 实例构造器()方法和类构造器()方法就是在这个阶段添加到语法树之中的（这里的实例构造器并不是指默认的构造函数，而是指我们自己重载的构造函数，如果用户代码中没有提供任何构造函数，那编译器会自动添加一个没有参数、访问权限与当前类一致的默认构造函数，这个工作在填充符号表阶段就已经完成了）。

2. 类文件结构

Class 文件是一组以8位字节为基础单位的二进制流，各个数据项目严格按照顺序紧凑地排列在 Class 文件中，中间没有添加任何分隔符，这使得整个 Class 文件中存储的内容几乎全部都是程序运行的必要数据。根据 Java 虚拟机规范的规定，Class 文件格式采用一种类似于 C 语言结构体的伪结构来存储，这种伪结构中只有两种数据类型：无符号数和表。无符号数属于基本数据类型，以 u1、u2、u4、u8 来分别代表 1、2、4、8 个字节的无符号数。表是由多个无符号数或其他表作为数据项构成的符合数据类型，所有的表都习惯性地以“_info”结尾。

整个 Class 文件本质上就是一张表，它由如下所示的数据项构成。

从表中可以看出，无论是无符号数还是表，当需要描述同一类型但数量不定的多个数据时，经常会在其前面使用一个前置的容量计数器来记录其数量，而便跟着若干个连续的数据项，称这一系列连续的某一类型的数据为某一类型的集合，如：fields_count 个 field_info 表数据便组成了方法表集合。这里需要注意的是：Class 文件中各数据项是按照上表的顺序和数量被严格限定的，每个字节代表的含义、长度、先后顺序都不允许改变。

参考文献

1. 深入理解 Java 虚拟机