当前位置：首页 > article >正文

JVM之Java编译到执行(1)--引

article 2025/1/24 19:07:24

Java语言特点

一次编写，到处运行。也就是跨平台。因为这个跨平台的实现原理，而导致Java的编译流程，与以往的C++之类语言有不同。

各个操作系统的底层实现，资源的协调，和硬件操作各有各的不同。就意味着，如果按照早期使用C++这类语言写，每个系统都有不一样的API，不仅存在大量的API调用区分，而且那就要为每一个操作系统都要编译一次。说来简单，楼主做过这种工作，出bug的时候，会编译很多次，光编译这里，就要消耗不少精力。真的比较烦。

想要做到一次编写到处运行的话，Java采取的方案是，将程序员编写的代码首先优化为一个字节码文件，然后为每一个操作系统提供虚拟机，也就是JVM。这个虚拟机里可以解释这个字节码文件，并将其生成相应系统可以识别的机器码。所以最简化的路子是下图所示。

这样的话有什么好处呢？

只要字节码文件一样，JVM虚拟机又是专业的人提供的，可以保证上层调用的API是一致的。也可以保证得到良好的解析，最终生成各自系统可识别的机器码，并执行。
JVM虚拟机是被人提供的，就意味着，他们对这块的操作权是很大的，可以用顶级的智慧，顶级的开发人员，对各个系统的虚拟机之后进行不断的优化。不用程序员管。
对于语言的支持方面，需要提供良好的API，这就意味着，API的开发操作权也在专业的公司手里。他们足可以按照比较先进的思想，提供比C++好用多得多的API。减少下游程序员的学习难度。

编译过程

Java语言的编译，因为上述的设计方案。会导致编译过程分为两个过程

1 从源代码编译到字节码的环节 (称为前端编译)
2 从字节码到可执行程序的环节 (称为后端编译，运行时做的工作)

其中前端编译，就是那种在计算机中输入一个javac指令，然后就编译成了class文件。在浅层的理解上，认为这就是编译完成了。事实上class文件它不能直接执行的，离执行还差的远。

这些class文件，在真正执行的时候，会让JVM去处理，这个时候属于运行时了已经。在运行时，JVM会拿到已经生成的class文件集，将这些文件里的一条条指令解释为相应平台可以识别的机器码。这样两种配合的情况下，我们写的代码才得以运行。

“解释”

解释型语言简述

解释型语言指的是程序不需要程序员进行编译，程序在运行时才会被翻译成机器码的那类语言。这就意味着，每次执行都得解释一次。因此这类语言有个普遍的缺陷，是效率较低。但是其优势就是跨平台性比较好，我们这里的跨平台烦恼，主要就是编译不同平台所带来的工作工时还有失误的消耗，这个是比较折磨开发者的。解释型是可以解决这种问题的。代表语言为：Python/JavaScript / Perl /Shell 等。 Java也算是。但又没那么彻底。

编译型语言简述

编译型语言的特点是，写的程序执行之前，需要一个专门的编译过程，把程序编译成为机器语言的文件，比如exe文件，以后要运行的话就不用重新翻译了，直接使用编译的结果就行了（exe文件），因为翻译只做了一次，运行时不需要翻译，所以编译型语言的程序执行效率高。缺点就是，开发和维护成本高。其代表语言为 C C++。

解释器VS编译器

上图中有个环节，有一个叫解释器的部分。这块最开始是令我比较迷惑的。原因是我认为Java作为一个解释型语言，那直接解释就好喽。解释不就是编译么？为什么我看到书上，解释和编译要区分呢？为什么这个流程甚至是一边解释一边翻译呢？

原来这里面存在一个区别，解释器和编译器，是实现同一种目标的两种不同的工作方式。

解释器

解释器是直接执行用编程语言编写的指令的程序。它逐行读取源代码，将其转换为机器语言（或某种中间形式），然后立即执行。这意味着解释器在执行程序时，需要逐行解释代码，因此执行速度通常比编译器慢。

编译器

编译器则是将源代码整体转换（或“编译”）为机器语言或低级语言（如汇编语言）的程序。它首先会对源代码进行词法分析、语法分析、语义分析等，然后生成中间代码，并最终转换为机器代码。这个过程通常称为“编译”，生成的机器代码可以独立运行，无需解释器的支持。

前端编译

javac就是Java的前端编译器，是个编译工具，负责把程序员写的java文件，经过初步的分析，转换为class文件。 class文件就是字节码文件。二者可以一块理解。

Java的前端编译基本就是做了这个工作。它的编译流程不做赘述，相当于C++编译或者编译原理的打折版。什么词法，语法，语义分析。这个知识点探下去没完没了，是一个比较深的话题。略过。流程上图已经给出了可以翻上去看一些图片。

Java从编写代码到执行涉及到的编译器概览

我们重点注意的是下半部分，主要由JVM承担的，发生在运行时的后端编译工作！

Java严格的说是一个编译 + 解释混合的语言。这使得我们讨论Java编译到执行这个话题时，不止要讲静态的编译，还要深入了解Java是怎么执行代码的，比如，解释器一条条指令解释，那指令是哪儿来的？存哪里了？类加载环节是不是和这里有关呢？类加载究竟做了什么事？Class除了反射时用，JVM到底用它做什么了？为什么需要它？class文件里面好像有操作指令，这些指令是不是相当于C++可执行程序里的代码段呢？new一个对象JVM划分内存，那个垃圾回收机制是怎么管理这些对象的？逐渐铺开发现相当于讲1/3JVM机制，一片文章根本讲不完。我会拆分下来一块一块讲。

JVM后端编译

后端编译流程图

对于Java解释字节码很粗略的流程，在上图已经画出来了。总共拆分为两个阶段。

类加载 and 二进制转换
解释器解释和即时编译器优化同时进行。(为什么这样之后解释)

需求分析

在了解一个方案的解决办法前，有时候思考问题，要把事件重置到还未发生时考虑。有没有想过为什么JVM的后端编译器为什么要把流程搞成这样子？还什么类加载，还要解释器，那个JIT是啥？为什么要有这个？

我们不妨以一个实现者的视角来聊聊。假设你就是这个编译器的实现者

你们的这个大工程中，你负责开发后端编译器这块的组件。你组件的输入内容已经确定了，是前端编译机器的产出--字节码文件，即字节码文件。
你这个组件的产出结果是，生成机器码，能上机跑的那种。(我们排除掉一切更为复杂的需求，如内存回收等等机制)

那你会怎么解决呢？

我想是个人都得先分解输入内容和输出内容这两大关键点的样子吧。于是乎

1 你必须要从java语言设计的思想，和所有语言通用思想方面来考虑java语言的组成结构。并能做到很好的拆分转换优化。另外，有些代码调用到中级逃不过C语言或C++，他们的接口入口地址，您要怎么找，怎么正确的连接。等等等等一堆的问题。
2 你必须要十分熟悉操作系统原理，尤其是一个程序要跑起来，计算机内部的状态究竟是什么样子。你需要将你输入的那些二进制代码，落实到运行时内存的数据里！
3 锦上添花的其余功能，例如垃圾回收机制。