Java編譯原理

　　Java 虛擬機（JVM）是可運行Java 代碼的假想計算機。只要根據JVM規格描述將解釋器移植到特定的計算機上，就能保證經過編譯的任何Java代碼能夠在該系統上運行。

　　一、Java源文件的編譯、下載 、解釋和執行

　　Java應用程序的開發周期包括編譯、下載 、解釋和執行幾個部分。Java編譯程序將Java源程序翻譯為JVM可執行代碼？字節碼。這一編譯過程同C/C++ 的編譯有些不同。當C編譯器編譯生成一個對象的代碼時，該代碼是為在某一特定硬件平臺運行而產生的。因此，在編譯過程中，編譯程序通過查表將所有對符號的引用轉換為特定的內存偏移量，以保證程序運行。Java編譯器卻不將對變量和方法的引用編譯為數值引用，也不確定程序執行過程中的內存布局，而是將這些符號引用信息保留在字節碼中，由解釋器在運行過程中創立內存布局，然后再通過查表來確定一個方法所在的地址。這樣就有效的保證了Java的可移植性和安全 性。

　　運行JVM字節碼的工作是由解釋器來完成的。解釋執行過程分三部進行：代碼的裝入、代碼的校驗和代碼的執行。裝入代碼的工作由“類裝載器”（class loader）完成。類裝載器負責裝入運行一個程序需要的所有代碼，這也包括程序代碼中的類所繼承的類和被其調用的類。當類裝載器裝入一個類時，該類被放在自己的名字空間中。除了通過符號引用自己名字空間以外的類，類之間沒有其他辦法可以影響其他類。在本臺計算機上的所有類都在同一地址空間內，而所有從外部引進的類，都有一個自己獨立的名字空間。這使得本地類通過共享相同的名字空間獲得較高的運行效率，同時又保證它們與從外部引進的類不會相互影響。當裝入了運行程序需要的所有類后，解釋器便可確定整個可執行程序的內存布局。解釋器為符號引用同特定的地址空間建立對應關系及查詢表。通過在這一階段確定代碼的內存布局，Java很好地解決了由超類改變而使子類崩潰的問題，同時也防止了代碼對地址的非法訪問。

　　隨后，被裝入的代碼由字節碼校驗器進行檢查。校驗器可發現操作數棧溢出，非法數據類型轉化等多種錯誤。通過校驗后，代碼便開始執行了。

　　二、Java字節碼的執行有兩種方式：

　　1、即時編譯方式：解釋器先將字節碼編譯成機器碼，然后再執行該機器碼。

　　2、解釋執行方式：解釋器通過每次解釋并執行一小段代碼來完成Java字節碼程 序的所有操作。

　　通常采用的是第二種方法。由于JVM規格描述具有足夠的靈活性，這使得將字節碼翻譯為機器代碼的工作

　　具有較高的效率。對于那些對運行速度要求較高的應用程序，解釋器可將Java字節碼即時編譯為機器碼，從而很好地保證了Java代碼的可移植性和高性能。

　　Java程序編譯和運行的過程

　　Java整個編譯以及運行的過程相當繁瑣，本文通過一個簡單的程序來簡單的說明整個流程。

　　如下圖，Java程序從源文件創建到程序運行要經過兩大步驟：

　　1、源文件由編譯器編譯成字節碼（ByteCode）

　　2、字節碼由java虛擬機解釋運行。因為java程序既要編譯同時也要經過JVM的解釋運行，所以說Java被稱為半解釋語言（ “semi-interpreted” language）。

　　下面通過以下這個java程序，來說明java程序從編譯到最后運行的整個流程。代碼如下：

　　第一步（編譯）： 創建完源文件之后，程序會先被編譯為.class文件。Java編譯一個類時，如果這個類所依賴的類還沒有被編譯，編譯器就會先編譯這個被依賴的類，然后引用，否則直接引用，這個有點象make。如果java編譯器在指定目錄下找不到該類所其依賴的類的.class文件或者.java源文件的話，編譯器話報“cant find symbol”的錯誤。

　　編譯后的字節碼文件格式主要分為兩部分：常量池和方法字節碼。常量池記錄的是代碼出現過的所有token（類名，成員變量名等等）以及符號引用（方法引用，成員變量引用等等）；方法字節碼放的是類中各個方法的字節碼。下面是MainApp.class通過反匯編的結果，我們可以清楚看到.class文件的結構：

　　第二步（運行）：java類運行的過程大概可分為兩個過程：1、類的加載 2、類的執行。需要說明的是：JVM主要在程序第一次主動使用類的時候，才會去加載該類。也就是說，JVM并不是在一開始就把一個程序就所有的類都加載到內存中，而是到不得不用的時候才把它加載進來，而且只加載一次。

　　下面是程序運行的詳細步驟：

　　1、在編譯好java程序得到MainApp.class文件后，在命令行上敲java AppMain。系統就會啟動一個jvm進程，jvm進程從classpath路徑中找到一個名為AppMain.class的二進制文件，將MainApp的類信息加載到運行時數據區的方法區內，這個過程叫做MainApp類的加載。

　　2、然后JVM找到AppMain的主函數入口，開始執行main函數。

　　3、main函數的第一條命令是Animal animal = new Animal（“Puppy”）;就是讓JVM創建一個Animal對象，但是這時候方法區中沒有Animal類的信息，所以JVM馬上加載Animal類，把Animal類的類型信息放到方法區中。

　　4、加載完Animal類之后，Java虛擬機做的第一件事情就是在堆區中為一個新的Animal實例分配內存， 然后調用構造函數初始化Animal實例，這個Animal實例持有著指向方法區的Animal類的類型信息（其中包含有方法表，java動態綁定的底層實現）的引用。

　　5、當使用animal.printName（）的時候，JVM根據animal引用找到Animal對象，然后根據Animal對象持有的引用定位到方法區中Animal類的類型信息的方法表，獲得printName（）函數的字節碼的地址。

　　6、開始運行printName（）函數。

　　特別說明：java類中所有public和protected的實例方法都采用動態綁定機制，所有私有方法、靜態方法、構造器及初始化方法《clinit》都是采用靜態綁定機制。而使用動態綁定機制的時候會用到方法表，靜態綁定時并不會用到。本文只是講述java程序運行的大概過程，所以并沒有細加區分。