JVM-1.编译

目录

一、编译器概述

二、编译器组成

三、示例

四、深入理解JVM中的编译器

五、语法糖

六、补充

 

 

一、编译器概述

1、编译器实质

编译器的实质是将一种语言规范转化为另一种语言规范；由人容易理解到机器容易理解。Javac将java文件中的源代码，转化成JVM能够识别的class文件中的字节码；然后JVM再转化为机器可以识别的机器语言。

2、编译器类型

前端编译器：.java->.class；如Sun的javac

JIT编译器：运行期编译器，字节码->机器码；如Hotspot的C1、C2编译器

AOT编译器：静态提前编译器，.java->机器码

3、前端编译器对代码的优化主要在程序编码(帮助程序员改善编码风格、提高编码效率)；而JIT主要是性能优化，这样其他语言的代码也可以被优化。

许多Java新的语法特性，是通过语法糖实现，而不需要虚拟机的底层支持。

 

 

二、编译器组成

1、词法分析器：生成token流。词法分析器读取源文件中的每个字符，识别关键字、分隔符等，生成token流；token流中包括：

（1）java关键词：package、import、public、class、int等

（2）自定义单词：包名、类名、变量名、方法名

（3）符号：=、;、+、-、*、/、%、{、}等

2、语法分析器：生成结构化的、可操作的语法树；其实是将token中的单词组成一句句话。有些地方叫做抽象语法树(AST)。

3、语义分析器：生成注解语法树，更接近目标语言的语法规则。语义分析器在语法树基础上做很多处理，包括

1、添加默认的无参构造器（在没有指定任何有参构造器的情况下）【《JVM》中，在语法分析器和注解处理之前，有一步填充符号表，其中的操作包括添加默认的无参构造器】
2、处理注解:JDK1.6以后，开始提供插入式注解处理器的API，可以理解为编译器的插件；如果注解处理器修改了语法树，编译器将循环进行(解析+填充+注解处理)；通过注解处理器，程序员可以干预编译过程。
3、标注：检查语义合法性、进行逻辑判断
•检查语法树中的变量类型是否匹配（eg.String s = 1 + 2;//这样"="两端的类型就不匹配）
•检查变量、方法或者类的访问是否合法（eg.一个类无法访问另一个类的private方法）
•变量在使用前是否已经声明、是否初始化
•常量折叠（eg.代码中：String s = "hello" + "world"，语义分析后String s = "helloworld"）
•推导泛型方法的参数类型
4、数据及控制流分析【编译时分析与类加载时分析，目的类似，但校验范围有一些区别。如局部变量在内存中没有flag，对final的校验只能在编译阶段进行】
•局部变量使用前是否有赋值【《JavaWeb》认为属于上一步，《JVM》认为属于本步】
•变量的确定性赋值（eg.有返回值的方法必须确定有返回值）
•final变量只能赋一次值，在编译的时候再赋值的话会报错
•所有的检查型异常是否抛出或捕获
•所有的语句都要被执行到（return后边的语句就不会被执行到，除了finally块儿）
5、进一步语义分析
•去掉永假代码（eg.if(false)）
•变量自动转换（eg.int和Integer）
•去掉语法糖（eg.foreach转化为for循环，assert转化为if，内部类解析成一个与外部类相关联的外部类）
6、最后，将经过上述处理的语法树转化为最后的注解语法树

【个人记忆】除了注解处理、去除语法糖，可以这么分类：

类：添加无参构造器；变量、方法、类的访问是否合法

字段：变量类型是否匹配；final是否多次赋值；常量折叠

方法外部：返回值是否正确；异常是否抛出或捕获

方法内部：变量使用前是否声明并初始化；所有语句都被执行到；去除永假代码

4、代码生成器：生成字节码

（1）生成<init>()和<cinit>()方法：其实是代码收敛，包括{}、static{}、变量初始化、调用父类的实例构造器等。

（2）其他优化：如字符串的加操作替换为StringBuilder或StringBuffer的append()操作。

（3）生成字节码

 

 

三、示例

（1）源代码到token

package compile;

/**
* 词法
*/
public class Cifa {
int a;
int c = a + 1;
}

（2）语法树

package compile;
public class Yufa {
    int a;
    private int c = a + 1;
    public int getC() {
        return c;
    }
    public void setC(int c) {
        this.c = c;
    }
}

 

 

四、深入理解JVM中的编译器

1、《JVM》一书中对编译器的编译过程的划分不太一样，但大体一致。

2、解析与填充符号表

解析：词法分析和语法分析

填充符号表：符号表是一组符号地址和符号信息构成的表格；符号表中信息在编译阶段多次用到。如语义分析时用于语义检查；字节码生成阶段，当对符号名分配地址时，符号表是地址分配的依据。

3、注解处理

4、语义分析

标注检查

数据及控制流分析

解语法糖

5、字节码生成

 

 

五、语法糖

1、语法糖：在计算机语言中添加某种语法，这种语法能使程序员更方便的使用语言开发程序，同时增强程序代码的可读性，避免出错的机会；但是这种语法对语言的功能并没有影响。Java中的泛型，变长参数，自动拆箱/装箱，foreach循环，条件编译，枚举，内部类，断言，对枚举和字符串的switch，try语句中定义和关闭资源(?)等都是语法糖，即虚拟机本身并不支持。

2、泛型：伪泛型，类型擦除

泛型的本质是参数化类型；泛型出现前常用方法是Object类+类型转换；Java泛型的实现是类型擦除，即伪泛型。

例如List<String>和List<Integer>在运行期是一个类，即List；使用时进行类型转换。

泛型在重载方面的尴尬：下面两个方法无法重载。

public void method(List<Integer> list){}

public void method(List<String> list){}

由于类型被擦除，为了区分不同参数化类型，引入了一些其他属性，如Signature等；因此类型擦除只是对方法的Code属性中的字节码进行擦除，元数据仍保留了泛型信息，因此可以通过反射手段取得参数化类型。【这段理解不深入，略】

3、自动拆箱和自动装箱：intValue()和Integer.valueOf()

变长参数：参数是数组

foreach循环：iterator

4、条件编译

C、C++ 的预处理器最初的任务是解决编译时的代码依赖关系（如#include），而在 Java 语言之中并没有使用预处理器，因为 Java 语言天然的编译方式（不一个个编译 Java 文件，而是将所有编译单元的语法树顶级结点输入到待处理列表后再进行编译，因此各个文件之间能够互相提供符号信息） 无需使用预处理器。

实现举例：

public static void main(String[] args) {
    if(true){
        System.out.println("True");
    }else{
        System.out.println("False");
    }
}
编译后：
public static void main(String args[])
{
    System.out.println("True");
}




注意：只有if+常量可以实现条件编译，常量+while等编译会报错；消除无法到达的分支也是在解语法糖阶段完成；只能实现语句块级别的条件编译。

 

 

六、补充

1、实战：插入式注解处理器，略

2、访问者设计模式：将数据结构(如语法树)和对数据结构的操作解耦；略。

3、主要参考：《深入理解Java虚拟机》