JVM之java源码编译机制

前言：

java程序运行在JVM之上，JVM的运行状况对于java程序会产生很大的影响，所以掌握JVM中关键的机制对与编写稳定的，高性能的java程序至关重要!

JVM标准结构图



JVM负责装载class文件并执行，首先要掌握以下三个问题

1.JDK是如何将java代码编译为class文件的？

2.如何装载class文件？

3.如何执行class？

将源码编译class文件的实现取决于各个JVM实现或 各种源码编译器

class文件通常由类加载器classLoader来完成加载

class的执行在SUN JDK中有解释执行和编译为机器码执行两种方式。

本文主要详细介绍java源码编译机制

java源码编译机制

JVM规范中定义了class文件的格式，但没有规定java源码如何编译为class文件，各厂商都会实现将符合java语言规范的源码编译为class文件的编译器，
如Sun JdK中就是javac，javac将源码编译为class文件的步骤如图所示



下面简单介绍三个步骤

1.分析和输入到符号表（Parse and Enter）

Parse所做的为词法和语法分析
   词法分析：
将代码字符串转变为token序列
 token就是把程序的语句进行类似分词得到的单词
    语法分析：
根据语法由tiken序列生成抽象语法树
Enter
做的是将符号输入到符号表
通常包括确定类的超类型和接口，根据需要添加默认构造器，将类中出现的符号输入类自身的符号表中去

2.注解处理（Annotation Processing）

该步骤主要用于处理用户自定义的注解 ，如以下代码

import lombok.Getter;

public class User{
private @Getter String name;
public static void main(String args[]){
String mango="mango";
String s="abc"+mango+"def";
System.out.println(s);

}
}

编译时引入Lombok对User.java进行编译后，可以通过javap查看class文件自动生成了public String getUsername()方法

javac -cp lombok-1.16.16.jar User.java



javap User



关于Lombok 看考http://blog.csdn.net/ghsau/article/details/52334762
在Annotation Processing进行后，再次进入了Pare and Enter步骤

3.语义分析和生成class文件（Analyse and Generate）

Analyse语义分析：基于抽象语法树进行一系列的语义分析
1.包括将树中的名字，表达式等变量，方法，类型联系到一起
2.检查变量使用前是否已声明
3.检查checked exception都被捕获或抛出
4.将泛型java转为普通java
5.将含有语法糖的语法树改为含有简单语法的语言结构的的语法树，如for exch，自动装箱拆箱等
.......
完成了语义分析后，就开始生成class文件。

生成的步骤为
1.将实例成员初始化器收集到构造器中
2.将静态成员初始化器收集为《clinit》
3.将抽象语法树生成字节码，采用的方法为后续遍历 语法树
4.进行最后的少量代码转换（例如string相加转变为stringBuilder相加）
5.从符号表生成class文件

除了javac外，还可以通过Eclipse Complier for java 或jikes等编译器来讲java文件编译为class文件

class文件结构

class文件结构不仅仅存放了字节码，还包含了很多辅助jvm来执行的clasas附加信息，一个class文件包含了以下信息

结构信息

包含class文件格式版本后及各部分的数量与大小信息

元数据

java源码中声明与常量的信息，如类、超类，实现的接口声明的信息，域field与方法声明信息和常量池

方法信息

java源码语句与表达式对应的信息
以一段简单的代码来说明class文件结构

public class Foo {
private static final int MAX_COUNT = 1000;
private static int count = 0;
public int bar() throws Exception{
if(++count<MAX_COUNT){
count = 0;
throw new Exception("count overflow");
}
return count;
}

}

javac -g Foo.java 
编译后，使用
javap -c -s -l -verbose Foo 查看编译后的class文件

E:\test>javap -c -s -l -verbose Foo
Classfile /E:/test/Foo.class
Last modified 2017-10-22; size 607 bytes
MD5 checksum f7e8e8b3a4f1f3a7acefb5253d8f43df
Compiled from "Foo.java"

//元数据:类/继承的超类/实现的接口的声明信息
public class Foo
minor version: 0

//50表示jdk 6  ,51表示jdk 7,   52表示jdl 8
major version: 52
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER

//元数据：常量池
Constant pool:
#1 = Methodref          #7.#27         // java/lang/Object."<init>":()V
#2 = Fieldref           #3.#28         // Foo.count:I
#3 = Class              #29            // Foo
#4 = Class              #30            // java/lang/Exception
#5 = String             #31            // count overflow
#6 = Methodref          #4.#32         // java/lang/Exception."<init>":(Ljava/lang/String;)V
#7 = Class              #33            // java/lang/Object
#8 = Utf8               MAX_COUNT
#9 = Utf8               I
#10 = Utf8               ConstantValue
#11 = Integer            1000
#12 = Utf8               count
#13 = Utf8               <init>
#14 = Utf8               ()V
#15 = Utf8               Code
#16 = Utf8               LineNumberTable
#17 = Utf8               LocalVariableTable
#18 = Utf8               this
#19 = Utf8               LFoo;
#20 = Utf8               bar
#21 = Utf8               ()I
#22 = Utf8               StackMapTable
#23 = Utf8               Exceptions
#24 = Utf8               <clinit>
#25 = Utf8               SourceFile
#26 = Utf8               Foo.java
#27 = NameAndType        #13:#14        // "<init>":()V
#28 = NameAndType        #12:#9         // count:I
#29 = Utf8               Foo
#30 = Utf8               java/lang/Exception
#31 = Utf8               count overflow
#32 = NameAndType        #13:#34        // "<init>":(Ljava/lang/String;)V
#33 = Utf8               java/lang/Object
#34 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
{

//Enter：将符号输入到符号表是生成的默认构造器方法
public Foo();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
LineNumberTable:
line 1: 0
LocalVariableTable:
Start  Length  Slot  Name   Signature
0       5     0  this   LFoo;
//bar方法的元数据信息
public int bar() throws java.lang.Exception;
descriptor: ()I
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=3, locals=1, args_size=1

//方法对应的字节码信息
0: getstatic     #2                  // Field count:I
3: iconst_1
4: iadd
5: dup
6: putstatic     #2                  // Field count:I
9: sipush        1000
12: if_icmpge     29
15: iconst_0
16: putstatic     #2                  // Field count:I
19: new           #4                  // class java/lang/Exception
22: dup
23: ldc           #5                  // String count overflow
25: invokespecial #6                  // Method java/lang/Exception."<init>":(Ljava/lang/String;)V
28: athrow
29: getstatic     #2                  // Field count:I
32: ireturn

//行号信息
LineNumberTable:
line 5: 0
line 6: 15
line 7: 19
line 9: 29

//局部变量信息
LocalVariableTable:
Start  Length  Slot  Name   Signature
0      33     0  this   LFoo;
StackMapTable: number_of_entries = 1
frame_type = 29 /* same */

//异常处理器表
Exceptions:
throws java.lang.Exception

static {};
descriptor: ()V
flags: ACC_STATIC
Code:
stack=1, locals=0, args_size=0
0: iconst_0
1: putstatic     #2                  // Field count:I
4: return
LineNumberTable:
line 3: 0
}
SourceFile: "Foo.java"

从上可见，class文件是个完整的自描述文件，字节码在其中只占了很小的一部分。

参考：分布式java应用 基础与实践