JVM基础系列第4讲:从源代码到机器码,发生了什么?

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在上篇文章我们聊到,无论什么语言写的代码,其到最后都是通过机器码运行的,无一例外。那么对于 Java 语言来说,其从源代码到机器码,这中间到底发生了什么呢?这就是今天我们要聊的。

如下图所示,编译器可以分为:前端编译器、JIT 编译器和AOT编译器。下面我们逐个讲解。

JVM基础系列第4讲:从源代码到机器码,发生了什么?

前端编译器:源代码到字节码

之前我们说到:对于 Java 虚拟机来说,其实际输入的是字节码文件,而不是 Java 文件。那么对于 Java 语言而言,其实怎么将 Java 代码转化成字节码文件的呢?我们知道在 JDK 的安装目录里有一个 javac 工具,就是它将 Java 代码翻译成字节码,这个工具我们叫做编译器。相对于后面要讲的其他编译器,其因为处于编译的前期,因此又被成为前端编译器。

JVM基础系列第4讲:从源代码到机器码,发生了什么?

通过 javac 编译器,我们可以很方便地将 java 源文件翻译成字节码文件。就拿我们最熟悉的 Hello World 作为例子:

public class Demo{ public static void main(String args[]){ System.out.println("Hello World!"); } }

我们使用 javac 命令编译上面这个类,便会生成一个 Demo.class 文件:

> javac Demo.java > ls Demo.java Demo.class

我们使用纯文本编辑器打开 Demo.class 文件,我们会发现是一连串的 16 进制数据流。

JVM基础系列第4讲:从源代码到机器码,发生了什么?

我们运行 javac 命令的过程,其实就是 javac 编译器解析 Java 源代码,并生成字节码文件的过程。说白了,其实就是使用 javac 编译器把 Java 语言规范转化为字节码语言规范。javac 编译器的处理过程可以分为下面四个阶段:

第一个阶段:词法、语法分析。在这个阶段,javac 编译器会对源代码的字符进行一次扫描,最终生成一个抽象的语法树。简单地说,在这个阶段 javac 编译器会搞懂我们的代码到底想要干嘛。就像我们分析一个句子一样,我们会对句子划分主谓宾,弄清楚这个句子要表达的意思一样。

第二个阶段:填充符号表。我们知道类之间是会互相引用的,但在编译阶段,我们无法确定其具体的地址,所以我们会使用一个符号来替代。在这个阶段做的就是类似的事情,即对抽象的类或接口进行符号填充。等到类加载阶段,javac 编译器会将符号替换成具体的内存地址。

第三个阶段:注解处理。我们知道 Java 是支持注解的,因此在这个阶段会对注解进行分析,根据注解的作用将其还原成具体的指令集。

第四个阶段:分析与字节码生成。到了这个阶段,javac 编译器便会根据上面几个阶段分析出来的结果,进行字节码的生成,最终输出为 class 文件。

我们一般称 javac 编译器为前端编译器,因为其发生在整个编译的前期。常见的前端编译器有 Sun 的 javac,Eclipse JDT 的增量式编译器(ECJ)。

JIT 编译器:从字节码到机器码

当源代码转化为字节码之后,其实要运行程序,有两种选择。一种是使用 Java 解释器解释执行字节码,另一种则是使用 JIT 编译器将字节码转化为本地机器代码。

这两种方式的区别在于,前者启动速度快但运行速度慢,而后者启动速度慢但运行速度快。至于为什么会这样,其原因很简单。因为解释器不需要像 JIT 编译器一样,将所有字节码都转化为机器码,自然就少去了优化的时间。而当 JIT 编译器完成第一次编译后,其会将字节码对应的机器码保存下来,下次可以直接使用。而我们知道,机器码的运行效率肯定是高于 Java 解释器的。所以在实际情况中,为了运行速度以及效率,我们通常采用两者相结合的方式进行 Java 代码的编译执行。

JVM基础系列第4讲:从源代码到机器码,发生了什么?

在 HotSpot 虚拟机内置了两个即时编译器,分别称为 Client Compiler 和Server Compiler。这两种不同的编译器衍生出两种不同的编译模式,我们分别称之为:C1 编译模式,C2 编译模式。

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