Java 編譯期與運行期，別傻傻分不清楚！

來源：小小木的博客
www.cnblogs.com/wyc1994666/p/11366802.html

不知大家有沒有思考過，當我們使用IDE寫了一個Demo類，并執行main函式列印 hello world時都經歷了哪些流程么？

想通過這篇文章來分析分析Java的執行流程，或者換句話說想聊聊Java的編譯期與運行期的流程，

• 開門見山

• 編譯期間都做了什么

• 運行期間都做了什么

1. 開門見山

public class MyApp {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("hello world");
    }
}

假如我們寫了一個MyApp.java,并要列印‘hello world’ 那它需要經過哪些步驟？

第一步：compile

通過編譯器進行編譯，從Java原始碼 ---> Java 位元組碼

這個編譯器則是jdk 里的javac 編譯器，我們只需 javac MyApp.java 即可以編譯該原始碼，javac 編譯器位于jdk --> bin -->javac

第二步：load and execute

加載java 位元組碼并執行

可以通過jdk 里的java命令運行java位元組碼，我們只需 java MyApp.class 即可加載并執行該位元組碼，當運行java命令時，JRE將與您指定的類一起加載，然后，執行該類的主要方法，

java命令位于jdk --> bin -->java，

上面只是大概講了運行一個java程式的流程，下面再從編譯期以及運行期的角度在剖析一下細節，

2. 編譯期間都做了什么？

編譯器（compiler）是一種計算機程式，它會將某種編程語言寫成的源代碼（原始語言）轉換成另一種編程語言（目標語言），

編譯期都做了什么？從我們使用者角度看無非就是把源代碼編譯成了可被虛擬機執行的位元組碼，但是從平臺(編譯器)角度看，它所經歷的流程還不少，

畢竟總不能給你什么以.java為后綴的檔案都進行編譯吧，需要有各種校驗決議步驟

2.1 決議與填充符號表

詞法語法分析

詞法分析是指把源代碼的字符流轉為標記(Token)集合,標記(Token)是編譯階段的最小單元，字符則是編程階段原始碼的最小單元，

比如，int i = 0由4個標記構成分別是「int,i,=,0」編譯器只認識這些標記，詞法分析程序就是識別一個個標記的程序

語法分析則是把生成的標記集合 構成一個語法樹，每個節點代表程式代碼中的語法結構，如包，型別，修飾符，運算子等等，

填充符號表

通過了上面的詞義語意分析之后我們需要把資料存起來，以供后續流程使用，編譯器會以key-value的形式存盤資料，以符號地址為key符號資訊為value，具體形式沒做限制可以是樹狀符號表或者有序符號表等，

在語意分析中，根據符號表所登記的內容 語意檢查和產生中間代碼，在目標代碼生成階段，當對符號表進行地址分配時，該符號表是檢查的依據，

2.2 注解處理器

注解與普通的Java代碼一樣，是在運行期間發揮作用的，我們可以把它看做是一組編譯器的插件，在這些插件里面，可以讀取、修改、添加抽象語法樹中的任意元素，

如果這些插件在處理注解期間對語法樹進行了修改，編譯器將回到決議及填充符號表的程序重新處理，直到所有插入式注解處理器都沒有再對語法樹進行修改為止，

換句話說當我們處理注解時如果修改了語法樹的話會重新執行分析以及符號填充程序，把注解也填充進來，直到處理完所有注解，

2.3 語意分析

語法分析以及處理注解之后，編譯器獲得了程式代碼的抽象語法樹，語法樹能表示一個結構正確的源程式的抽象，但無法保證源程式是符合邏輯的，

說白了，語法樹上的內容單個來說是合法的但是結合到背景關系語意則未必是合法的，

比如定義了兩個變數

int a = 1;
boolean b = false;
int c = a + b

以上 都能構成結構正確的語法樹，但是根據語意分析之后編譯是通不過，Java語言中是不合乎邏輯的，

2.4 解語法糖

Java 中最常用的語法糖主要有泛型、變長引數、條件編譯、自動拆裝箱、內部類等，虛擬機并不支持這些語法，它們在編譯階段就被還原回了簡單的基礎語法結構，這個程序成為解語法糖，

換句話說，不論你是否使用Java的語法糖，最終到jvm哪里的時候都是一樣的，jvm不支持語法糖，所以需要編譯階段解語法糖，語法糖的初衷是用來提升開發效率，而不是代碼性能，

另外關注公眾號Java技術堆疊在后臺回復JVM獲取一份46頁的JVM調優教程，

2.5 位元組碼生成

位元組碼生成是Javac編譯程序的最后一個階段，在Javac原始碼里面由com.sun.tools.javac. jvm.Gen類來完成，

位元組碼生成階段前面各個步驟所生成的資訊（語法樹、符號表）轉化成位元組碼寫到磁盤中，主要作業就是把語法樹和符號表加工成位元組碼檔案，

3. 運行期間都做了什么？

java的運行期主要是處理編譯器產生的位元組碼，包括加載與執行，

3.1 加載器與驗證器

java提供類加載器把虛擬機外部的位元組碼資源載入到虛擬機的運行時環境(主要是指虛擬機的方法區)并提供位元組碼驗證器來保證載入的位元組碼是安全合法的，對程式沒有危害的，

加載器 (Class Loader)

當位元組碼還沒被類加載器加載之前它目前還處于虛擬機外部存盤空間里,要想執行它需要通過類加載器來加載到虛擬機的運行時記憶體空間里，關于類加載器不太想過多擴展，有興趣珂查閱相關書籍資料，

常見類加載器有：

• Bootstrap ClassLoader（啟動類加載器:加載位于<JAVA_HOME>\lib 目錄下的類檔案，如rt.jar

• Extension ClassLoader（擴展類加載器）: 加載位于<JAVA_HOME>\lib\ext目錄下的類檔案

• Application ClassLoader（應用程式類加載器）:加載位于類路徑(ClassPath)下的類檔案

總之，加載器的任務就是把位元組碼資源載入到虛擬機運行時環境里，

位元組碼驗證 (Bytecode Verifier)

當類加載器將新加載的位元組碼呈現給虛擬機時，首先由驗證器來檢查驗證這些位元組碼，驗證程式檢查指令是否無法執行明顯有害的操作，除系統類之外的所有類都需要經過驗證，也可以使用命令-noverify選項來停用驗證，

位元組碼驗證器主要驗證如下幾項：

• 變數在使用前初始化

• 不違反訪問私有資料和方法的規則

• 運行時堆疊不會溢位

• 所有Java虛擬機指令的引數都是有效型別

• 各種型別檢查

參考 http://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/jvms-4.html#jvms-4.10，

總之，驗證器的任務就是保證加載器載入的位元組碼資源的安全性，正確性

3.2 解釋器與JIT編譯器

解釋器

解釋器（interpreter），是一種計算機程式，能夠把高級編程語言一行一行解釋 運行，

劃重點：一行一行運行，說白了就是效率低

解釋器每次運行程式時都要一行一行先轉成另一種語言再作運行，因此解釋器的程式運行速度比較緩慢，它不會一次把整段代碼翻譯出來，而是每翻譯一行程式敘述就立刻運行，然后再翻譯下一行，再運行，如此不停地進行下去，

JIT編譯器

即時編譯（Just-in-time compilation）是一種提高程式運行效率的方法，通常，程式在執行前全部被翻譯為機器碼，

Java最初的版本沒有JIT編譯器，完全靠解釋器來運行的，但是為了提升性能便引入了JIT編譯器，

重點說明：當我們說編譯的時候基本上指的是上面的從原始碼到位元組碼的編譯程序，而不是指JIT編譯器，

JIT編譯器作業階段基本是java程式運行期的最后階段了，它的作業是將加載的位元組碼轉換為機器碼，當使用JIT編譯器時，硬體可以執行JIT編譯器生成的機器碼，而不是讓JVM重復解釋執行相同的位元組碼導致相對冗長的翻譯程序，這樣可以帶來執行速度的性能提升，

什么時候觸發即時編譯？

• 被多次呼叫的方法

• 被多次執行的回圈體

上面兩個條件又叫做熱點代碼，至于如何界定這個多次或者熱點，Java提供了兩種策略：

熱點探測: 虛擬機定期檢查執行緒的堆疊頂，如果某個方法經常出現在堆疊頂 則推斷為熱點代碼

計數器: 統計方法的呼叫次數，維護一個計數器串列

基于計數器來推斷熱點代碼是HotSpot虛擬機采用的策略

通常情況下，解釋器和JIT編譯器混合配合作業，而不是單獨作業，這樣可以做到互補提升整體性能，HotSpot 虛擬機的解釋器JIT編譯器架構如下圖所示：

HotSpot虛擬機中內置了兩個即時編譯器，分別稱為Client Compiler和Server Compiler，或者簡稱為C1編譯器和C2編譯器，默認采用解釋器與其中一個編譯器直接配合的方式作業，程式使用哪個編譯器，取決于虛擬機運行的模式，用戶也可以使用“-client”或“-server”引數去強制指定虛擬機運行在Client模式或Server模式，

4. 總結

java 程式是如何運行的？

首先需要把源代碼(高級語言) 編譯成虛擬機可執行的語言(位元組碼)
其次，需要把位元組碼解釋運行后者編譯成作業系統級別的機器語言，用于執行函式呼叫(System call)

Java是如何做到平臺獨立的？

主要是因為位元組碼技術，我們可以把在Windows系統上編譯生成的位元組碼檔案放在Linux系統上去執行，反之亦可，

虛擬機不在乎你是那個作業系統生成的位元組碼檔案，他只在乎加載的這個.class位元組碼檔案是否是正確的，安全的，

雖然Java語言是平臺獨立的，但是虛擬機不行，每種作業系統都要下載對應的虛擬機，這主要是由于它最終呼叫的函式庫以及執行緒模型不同，

參考：

1.http://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/jvms-4.html#jvms-4.10.
2.深入理解Java虛擬機

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標籤：Java

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