爆爆:Java代码编译流程是若何的?

发布日期:2022-08-07 16:22    点击次数:163

前言

写了这么多年的代码,关于java代码运行的全流程你内心有清楚的头绪吗?

巨匠会不会跟我最起头同样,感应在IDE里点一下RUN按钮,我们写的代码就间接间接跑起来了吧?

俗语说的好,你感应生活生计静好,实在只是因为有人在为你负重前行,编译器和虚拟机镇定的承受了这通通。

小小的一个RUN,迎面却是良多组件共同尽力的终局,它们必须极度尽力,材干看起来毫不辛勤。

来日诰日就让我们花点篇幅,来好好聊聊,Java代码RUN起来的迎面,那些镇定支出的大罪人们。

当我们写下一行代码时,我们毕竟在写什么?

夜深了,我们在屏幕上打下一段优雅的代码,一边拧开泡着枸杞的保温杯抿了一口热水,一边赏玩本身诗同样的代码,内心镇定地夸了一奔忙本身:不愧是我!

第一个成就来了,计算机真的能看到我们写的”诗“吗?

妇孺皆知,Java是一门"一次编写,随处运行"的言语,也就是所谓的平台有关性,不论在哪一个平台都兴许运行,且担保运行的终局与等待的分歧。(这是大学教员反复夸大的)

Java实现”平台有关性“的道理也极度俭朴,就是行使中央项目来举行过渡,也就是我们常说的字节码,经由过程将Java源代码转换成字节码,担保JVM(Java虚拟机)读取到的必定是本身兴许识其它字节码项目。

一个艰深的说明:你不会说法语,法国人不会讲中文,然则你们或多或少都市点英语,把英语作为你们的中央项目,担保单方都能显然对方的意义,这就是所谓的跨平台。

Java源码首先被编译成字节码,而这个字节码就是实现平台有关性的关键,不管你是什么范例的平台,只需你按部就班了兴许识别字节码的JVM(Java虚拟机),经由过程JVM对字节码文件举行剖析,把字节码转换成具体平台上的古板指令,就能实现跨平台的运行了。

是以别说让计算机底层读到我们写的”代码诗“了,就连Java虚拟机都拿不到我们原汁原味的代码,在编译器的尽力下,Java源代码已经变成大书面语的class文件了。

所以啊宝,操作体系赏玩不到我们”诗同样的代码“,我们所写的每一行代码,都市变成一条条指令,对操作体系来说,它看到的不是编程的艺术,只是本身需求实现的一条条KPI罢了。

文本即代码?

假设我们写了具有同样内容的Java文件和txt文本,他们在文本编辑器中长得是没有区其它。

有一句名言是:世界上最佳的IDE是txt文本编辑器。今朝我们兴许用IDE都用不随手了,良多的操作我们都习性于让IDE给我们提示,寄托于IDE的代码补全和快捷键。

但在传说中,有一群用记事本就能打出柔美代码的大佬,到了这个田地时,已经是人码合一,无需语法高亮,无需补全提示,全体的准确语法都了然于心,打进去的每一行代码都是可以或许间接编译run起来且零BUG的好代码(doge)。

扯得有点远了,但用记事本确凿是可以或许实现开发功用,只需你本身打的代码逻辑准确,且没有语法舛误,最后生活生涯的后缀是.java,就能作为代码去运行了。

是以,从本质来说,我们所打进去的txt文本和Java代码在一起头是没有多大区其它,用通俗的文本编辑器也能关上我们的.java后缀的文件。然则文本编辑器能做到的也仅仅限于看到.java文件内里的代码文本罢清晰。

Java编译器才是终究,兴许识别并理解.java文件的存在。

Java代码想要运行起来,第一步就是失去编译器的抵赖。编译器的使命很俭朴,就是将吻合Java言语源码编译为吻合 Java虚拟机标准的Class文件,假设输入的Java源码不吻合标原则需求报告舛误。

可以或许说,编译的进程是Java开发的第一小步,但也是顺序的一大步。

接上去我们先介绍一下编译器在Java体系中的职位地方。

JDK与JRE的爱恨情仇

在我们初学java时,必定按部就班过所谓的java情形,当我们自傲满满地点进了Oracle的Java官网,映入眼皮的是两个看起来很像的按部就班包:

这我就蒙蔽了呀,我就想装个Java情形,怎么有两个奇稀罕怪的按部就班包,一个叫JDK,一个叫JRE,这两个按部就班包跟俗称的”Java“又有什么纠葛?

先理清楚所谓的JDK和JRE毕竟有什么差别吧,来看一张Java 8的体系架构图(https://docs.oracle.com/javase/8/docs/):

jdk8体系架构图

JDK全称是Java开发器材包(Java Development Kit),它包孕了Java从开发到运行的种种器材。

JRE指的则是Java运行情形(Java Runtime Environment),它包孕了基本类库和JVM虚拟机。

上图展现的是Java 8的体系布局,最右边的一栏很清楚的评释了JDK和JRE各自的规模,我们也很苟且缔造:

JRE是JDK的子集。

既然你要搞开发,必然得担保本身写的代码能运行起来吧,所以当开发人员按部就班好JDK当前内里已经包孕了一个运行情形JRE,担保本身的代码兴许失去运行和验证,这就是为何JRE被包孕在JDK中。

但假设我们是通俗用户,实在不体贴开发,以至基本不懂代码,我只想要代码跑起来的终局,那只需求外埠有JRE运行情形就好了。

假设用过零几年的按键手机,你就会深有了解,过后间良多的手机软件都是用Java编写的,只需求一个JAR包,你就能功劳欢愉。

手机Java应用

反向思唯一下,既然按部就班JRE就能运行JAVA代码,但要需求完备的JDK材干实现开发,那他们之间的差集必然跟开发的进程有关。

所以接上去,我们来筹商一下为何缺乏这一块内容就只能成为运行情形,而不克不迭承担开发功用呢?

 

JDK和JRE的差集

这一块里我们可以或许看到几个很意识的敕令:

javac:用于编译java源代码,生成class文件; javap:用于反编译,痛处class文件,反剖析出个中的汇编指令和其他信息; javadoc:用于生成java文档的敕令。

个中,我们最经常使用的、最首要的就是javac敕令。这是JDK中内嵌的编译器,经由过程这个敕令,可以或许将java源文件转换成class文件。这个javac编译器就是JRE相比于JDK少了开发功用的选择性元素!!

我们用一个俭朴的例子看看,开发者编写好的java代码在完备的JDK架构下,颠末JDK、JRE以及JVM的运行进程。

java代码运行的俭朴示例

可以或许看到,经由过程JDK中的javac敕令,我们材干将java源代码编译成class文件,而后面也提到了,这个class文件才是终究放到JVM中运行的文件。

我们把java源码到class文件的进程称之为编译阶段,把class文件到JVM中运行失去终局的阶段称为运行阶段。

是以,假设只要JRE而没有完备的JDK的话,相当于就少了编译源代码的关键器材,你只能寄托人祖通报的,已经编译好的class代码,将顺序运行起来,而不具有编削、开发的才能。

聪明的你很快就能缔造,既然虚拟机运行需求的理论上是class文件,是以它关于最后面用的是什么言语实在实在不体贴,只需支持生成JVM兴许识其它字节码就好了。

莫非说……

没错,祝贺你缔造白JVM虚拟机**”跨言语“的特点**。

良多言语寄托了这类特点,将本身本身的源代码,编译生成class文件,并基于JVM虚拟机运行。相比经常使用的有Scala和Kotlin等,它们以至可以或许跟Java言语互相调用,因为终究都是要编译成class文件到虚拟机中运行嘛,所以纵然在源代码阶段是差别的言语,颠末编译器当前,巨匠都变成为了同样的字节码。

多言语转换为字节码

固然,若是再极端一点,因为class文件本质上也是一个二进制的文件,是以只需你足够强,兴许徒手写出本身需求的二进制文件,你也就再也不需求编译器了(狗头保命)。

良多读者就要说了:”我们是来学技能的,不是来学仙术的“。

先别笑,间接改字节码实在不是什么天上飞的仙术,而是实打实的技能。像我们意识的lombok,就兴许痛处我们编写的表明生成字节码,实现字节码的编削增强(但lombok也是行使了编译器的一些特点,是在编译阶段触发操作的)。

近似的另有诸如ASM等一些字节码增强技能,也是经由过程间接操作字节码来实现的。

经由过程字节码增强技能可以或许实现热陈列等操作,让你编削代码当前无需重启服务就能生效;也可以实现日志注入等功用,在不需求改变客户端调用编制情形下实现对指定编制增加缓存或日志的功用。

但关于大部份的通俗开发者来说,编译器照旧必不成少的。

编译阶段

当调用javac敕令,触发java代码的编译进程,将.java文件编译成为了.class二进制文件。

那末,在编译器中,源代码毕竟是怎么一步步变换的呢。

留心:javac是javac编译器的自带的敕令,但市面市面上可用的实在不但有javac这一种编译器,有一些其他的厂商也痛处java的标准开发了本身的编译器。譬如Eclipse的ecj(the Eclipse Compiler for Java)等。

只是大部份人用的都是JDK自带的javac的编译器,是下列文的探究都是基于javac编译器开展的。

可以或许这样理解,编译的进程就是”编“和”译“。

编:将java源代码的布局构造成相宜的项目,蕴含编译进程中的笼统语法树和标志表等,并在终究将源码编码成为class文件。

译:对源代码中的语义举行剖析,并准确地翻译成另外一种模式(字节码)。这一步既要确保原项目准确(Java源代码中的语法准确),又要确保翻译后的字节码跟源代码剖明的意义分歧。

也就是说,编译的进程要担保 输入的项目吻合Java言语标准,输出的项目吻合Java虚拟机标准。

这个进程说起来宏壮,然则读者可以或许回忆一下本身阅历过的代码编译失利的场景,每一次编译失利都是编译器在镇定事变的终局,差别的舛误兴许是在编译进程的差别阶段被缔造并抛出的。

接上去,我们乐天知命地报告巨匠编译的具体步调,以及编译进程的各个阶段抛出的差别编译很是。

编译进程调用图

货物看起来良多哈,总结起来也容许以分为下面几个步调:

1. 词法阐发&语法阐发

词法阐发是最起头的一步,首要的浸染就是把源代码的字符流转换成Token鸠合,Token是指代码中具有独立语义且不成再分的标志。

这里要留心,一个Token指的实在不是单个的字符,而是具有实义的词。而且,编译器还会识别差别的词法范例,为它分派对应的Token范例,比喻,int就会被辨觉得Token.INT ,行业资讯运算符也会被分派为对应的Token范例,譬如+就是Token.PLUS:

词法阐发

古代码被剖析为一系列的Token鸠合当前,下一步是举行语法阐发。

语法阐发是痛处剖析后的Token鸠合,剖析出笼统语法树(Abstract Syntax Tree, AST),AST中包孕了java代码中的层级布局。

小知识:在NLP等规模的研究中,语法树也是用来阐发语规律则及道理的首要伎俩,在这里不过多阐述。

语法阐发1

痛处这个布局,可以或许层级地展古代码中全体的变量、编制以至是注释等种种信息。

构建AST的进程会鉴定Token的范例与其在树中的职位地方是否成家,这一步我们很好理解哈,你用关键字作为变量名称的时光编译会不经由过程,就是在这一步被逮到的。

譬如,你用这样一段代码去编译:

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

会报以下的舛误:

error: as of release 5, 'enum' is a keyword, and may not be used as an identifier

因为enum是关键字,构建语法树的时光缔造堂堂一个关键字居然出当初了标识符的职位地方,这可以或许使不得啊!

是以AST树构建失利,编译报错。

词法阐发&语法阐发是对源代码中文本的笼统,将.java源代码中的文本布局根据编译器特定的划定端方拆分、剖析,为后续的编译事变铺平了路途,后面的操作都离不开这个AST。

2. 填充标志表标志表

就是由标志地点(职位地方)和标志信息变成的”表格“,它存储的是标识所对应的范例、浸染域等。

这里说它是”表格“兴许会对读者孕育发生必定的歪曲,理论上它不是像我们设想的那种二维的表格,而是更激情亲切hashTable那样的键值对布局,标志表可以或许由数组、树状布局或许栈等种种布局来实现。

这个标志表在后续的良多步调都能发挥浸染,譬如:

static char x;   int foo() {        int x;        {             float x;        }   } 

这段代码有三个同名变量,聪明的读者必然兴许分辩它们各自的浸染域,然则笨笨的计算机没举措那末快分清它们的差别。

为了在剖析标志和范例的时光分清它们的浸染域而不孕育发生应用抵触,就需求经由过程标志表来记载纠葛。

填充标志表的进程可以或许形貌为:

将每个AST的顶层节点都放到待处置惩罚的列表中,并一一处置惩罚; 将全体的类标志(类的声名,名称)都输出到外层的浸染域的标志表中; 假设缔造有package-info.java文件(形貌全副包的信息和包内的常量),将其顶层节点放到待处置惩罚的列表中; 大白泛型范例的实在范例; 假设类中没有任何布局器,则增加默认的无参布局器; 将类中标志输入到类本身的标志表中。

这一步有点笼统了,巨匠也不消太纠结于细节,兴许显然兴许的流程和目标就好了,只需求理解,这一步就是为了生成记载了类中标志的范例、属性等信息的标志表,方便后续流程中的应用。

夸大一下5,学过java基本的都晓得,假设一个类没有定义布局器,则会默认一个默认构建无参布局器,增加默认布局器的操作也是在填充标志表时实现的。

为何呢?

很俭朴,因为类的布局编制也是需求放到标志表里记载的,而且不克不迭为空,既然你没有指定,那我就给你放一个默认的空参布局器,然后记实到标志表咯。

相干的源码就放着这里了,巨匠有兴致可以或许深挖一下。http://hg.openjdk.java.net/jdk8u/jdk8u/langtools/file/2baeb96fa198/src/share/classes/com/sun/tools/javac/comp/Enter.java

3. 表明处置惩罚

自从JDK 5以来,Java供应了对表明的支持,目出息序中应用表明已经是极度通例的操作。

然而要留心的是,实在不是全体的表明都是在编译期起浸染的,我们寻经常使用反射处置惩罚的表明主若是指运行时表明,运行时表明在编译期不受影响,在编译当前的class文件中照旧会留存,终究要在class文件到JVM运行的进程中才生效。

而编译期表明是指以@Retention(RetentionPolicy.SOURCE)定义的,在编译期就处置惩罚了的表明,这一类表明不会留存到class文件中。

听起来很懵,但实在编译进程中这一步表明处置惩罚实在巨匠在无意中已经接触过良屡次了,比喻巨匠经常使用的lombok,就是在这一步起浸染的。

lombok给与的就是编译期表明处置惩罚的编制,是以当我们编译好用了lombok表明的.java文件后,关上生成的class文件就能看到lombok相干的表明已经磨灭,而响应的getter、setter编制则已经被注入到class文件中。

上图中右图展现的实在不是class文件,而是与增加lombok表明等效的源代码,阁下双侧的代码生成的字节码是分歧的。

在这一步,lombok的表明处置惩罚器生效,并对我们后面所说的笼统语法树AST举行增强处置惩罚。

首先找到@Data表明地点类对应的语法树(AST),尔后编削该语法树(AST),增加getter和setter编制定义的响应树节点,实现我们所需的功用。

这一步也是为数不多的,编译器留给顺序员本身编写代码来影响源代码编译进程的机遇。

表明处置惩罚实现后,兴许又会孕育发生新的标志,是以假设执行了表明处置惩罚,需求再执行一次剖析和填充标志表的操作(回到第2步)。

4. 语义阐发

语义阐发听起来跟第一步词法阐发&语法阐发看起来很像,但理论上是有很大差别。

我们类比针言文来说明:

敖丙说:”吃你饭来日诰日了吗?“。

词法阐发的步调相当于把这一句话拆成为了你、吃、来日诰日、饭、了、吗、?,这几个词语。每个词都没成就。

但是到了语义阐发阶段,我们再痛处划定端方查抄这句话的语义,缔造这句话理论上是不通畅的。

回到编译进程中来说明,语义阐发的功用就是从布局和划定端方上对源代码举行查抄,蕴含声名查抄和范例查抄等等。

这里我们用周志明教员书中的一个例子来批注:

假设有以下3个变量定义的语句:

int a = 1;  boolean b = false;  char c= 2;   int d =a + c;  int e = b + c;  char f = a + c;  

这一段代码兴许经由过程第一步的词法阐发和语法阐发,并造成准确的AST,然则在语义阐发中会报错。因为编译器缔造变量e和f的运算都是不吻合标准的,染指运算的两个值的范例不成家该运算符的逻辑。

语义阐发更进一步查抄凹凸文中变量的标准性,譬如变量是否已经声名,变量的数据范例与其染指的运算是否成家等等。

假设要对语义阐发做细分的话,可以或许分为下列几个小阶段:

4.1 标注查抄

这就是刚刚说的,查抄变量是否事前声名以及运算范例是否成家的步调,而且这一步的处置睬影响到AST的布局:

留心图中所示,我**们首先需求查抄变量a有无声名(声名查抄),并查抄a的范例(范例查抄),这两个查抄都需求用上我们前文已经填空虚现的标志表,从标志表中查询变量的浸染域和范例,**实现语义阐发的查抄。

尔后鉴定运算符和另外一个运算值的范例,查抄阁下运算值的范例是否成家,是否染指运算。

看到了吗,在这里AST和标志表就怪异发挥浸染啦。

其他,标注查抄步调另有两个很首要的操作:

泛型编制范例的推导:

在这一步就需求大白泛型编制通报的实在范例是什么了;

常量折叠(Constant Folding):

这是一个很有意思的操作,它会举行一些俭朴的常量计算,譬如:int a = 1 + 2;在这一步就会被优化为a = 3,优化当前在AST中照旧兴许看到int、a、一、+、二、;这几个标志,然则这个剖明式的值已经被计算进去了,并在AST长举行了标注。也就是说,今朝的AST既留存了剖明式的布局,也记载了剖明式的终局。

当后续到虚拟机中去执行字节码的时光,因为编译期常量折叠的优化,int a = 3和int a = 1 + 2的运行效劳理论上是同样的,因为这一个常量的运算在编译期已经做完,不会再额外斲丧运行期的处置惩罚时光。

普通的代码优化都是要到生成字节码当前,等到运行期在虚拟机的说冥具中再举行的。而常量折叠是javac编译器对源代码做的极少量的优化步调之一,也是为数不多的编译期对代码举行优化的操作。

4.2 数据流阐发

数据流阐发是在标注查抄当前的进一步考试,首要考试是部份变量在应用前是否肯定性赋值、声名有前去值的编制是否有肯定性的前去值等。

值得留心的是,final变量不成反复赋值的性质也是在这一步查抄,假设一个final变量被反复赋值,编译器会缔造并报错的。也正是因为这个特点,用final关键字部份变量只会在编译期去校验,不会对在运行期孕育发生任何浸染 。

有以下的例子:

// 编制1 public void aobingTest(final int nezha){   final int a = 0; }  // 编制2 public void aobingTest(int nezha){   int a = 0; } 

这两个编制孕育发生的字节码是一模一样的,没有任何的差别。是以全体的final不成反复赋值的限定,都在编译期失去了考试,假设声名为final的部份变量被反复赋值,在编译期就会报错,假设没有缔造有final反复赋值的舛误,才会告成生成字节码。

是以关于运行期来说,部份变量是否声名为final,不会有任何校验的步调(因为部份变量不论有没有效final限定,生成的字节码都是同样的,字节码中不会留存部份变量是否声名为final的信息)。

5. 解语法糖

俭朴地来说,语法糖就是方便顺序员编写的便捷写法,这类语法不会对终究的终局孕育发生理论影响,但兴许削减顺序编写者的事变量。

譬如,java中的自动拆箱装箱功用、foreach循环功用等,都是为了顺序员兴许更写出更轻便流程的代码而封装的语法糖。

然则到了顺序运行阶段,这样的语法糖对计算机来说是不成识其它。是以需求在编译阶段先解语法糖,将语法还原为它原本”愚笨“的样子。

譬如,将包装范例拆成通俗范例,将增强for循环替代为通俗的for循环。

6. 生成Class文件

终于到了生成终究需求的class文件的一步了,后面所构建的语法树、标志表等信息,在这一步被转换成字节码指令写到class文件中,除此之外,另有两个极度首要的编制被增加到语法树中,他们划分是和编制。

留心,这两个长得像init的编制指的实在不是类中的布局函数。

编制是一个类的布局器,它的浸染是初试化全体的动静变量并执行用static {}包裹的代码块,而且该编制的采集是有按次的:

将这些与类相干的初始化代码按按次采集在一起生成了函数,在类加载的时光按按次运行,所以编制相当是以把动静的代码打包在一起,等待后续统一执行。

父类动静变量初始化 父类动静语句块 子类动静变量初始化 子类动静语句块

编制理论上是一个实例布局器,它的浸染是初始化类中的成员变量,譬如成员变量的赋值操作,以及被{}标志包裹的代码块,这些编制都市被收敛到编制中成为一个跟工具初始化相干的编制。该编制的采集也是有按次的:

父类代码块 父类布局函数 子类变量初始化 子类代码块 子类布局函数 父类变量初始化

艰深来说,这两个编制就是将源代码中的代码块和变量初始化的步调根据动静与非动静分为了两类,并按必定按次打包好,等待相宜的机遇执行。

对编制来说,这个相宜的执行机遇就是在类被加载的时光;

而对编制来说,执行的机遇就是在该类new一个工具的时光。

因为类加载进程优先于工具实例化进程,所以编制必定譬喻法先执行。是以它们完备的执行按次就是:

父类动静变量初始化 父类动静语句块 子类动静变量初始化 子类动静语句块 父类变量初始化 父类语句块 父类布局函数 子类变量初始化 子类语句块 子类布局函数

缔造白吗,这就是罕见的笔试题:”java代码的加载按次“的标准答案。

这个成就的本质其实在于:Java代码兴许对立加载按次的启事就是在生成class文件时,将按按次拼接好的和编制增加到了class文件中,在后续的运行进程中再按按次执行。

之后笔试遇到这个成就晓得怎么答了吗。

除了生成布局器之外,生成class文件时还会优化某些代码逻辑的实现编制,比喻,将字符串的+运算操作,替代为StringBuffer或许StringBuilder的append()编制。

到此为止,java源代码到class文件的编译进程进入了尾声。

因为篇幅启事,来日诰日姑且讲到Java代码编译为class文件的进程,后续我们再延续研究class文件中的细节以及字节码终究在JVM中运行的流程。

一些思虑

对了,另有一个成就兴许是巨匠理解上的误区。

良多人会觉得class文件 = 字节码,这是纰谬的,class文件实在不等于字节码。我们从class文件的布局中可以或许窥见头绪,class文件中记载了以下的一些信息:

布局信息:class文件项目版本号; 元数据:首要对应的是Java源代码中”声名“和”常量“对应的信息,蕴含类的声名信息、类中属性域与编制的声名信息、常量池等; 编制信息:首要对应Java源代码中”语句“和”剖明式“对应的信息,蕴含 字节码、很是处置惩罚器表、操作数栈和部份变量区的大小等;

这下就很清楚了,字节码是Class文件的一个子集,只是class文件中众多形成部份的个中之一。

乖,当前别再觉得Class文件就是字节码了。

 



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