Java運行時和編譯時都經歷了什麼？

不知你們有沒有思考過，當咱們使用IDE寫了一個Demo類，並執行main函數打印 hello world時都經歷了哪些流程麼？ 想經過這篇文章來分析分析Java的執行流程，或者換句話說想聊聊Java的編譯期與運行期的流程。

• 開門見山
• 編譯期間都作了什麼
• 運行期間都作了什麼

1. 開門見山

public class MyApp {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("hello world");
    }
}
複製代碼

假如咱們寫了一個MyApp.java,並要打印‘hello world’ 那它須要通過哪些步驟？

第一步：compile

經過編譯器進行編譯，從Java源碼 ---> Java 字節碼

這個編譯器則是jdk 裏的javac 編譯器，咱們只需 javac MyApp.java 便可以編譯該源碼，javac 編譯器位於jdk --> bin -->javac

第二步：load and execute

加載java 字節碼並執行

能夠經過jdk 裏的java命令運行java字節碼，咱們只需 java MyApp.class 便可加載並執行該字節碼，當運行java命令時，JRE將與您指定的類一塊兒加載。而後，執行該類的主要方法。

java命令位於jdk --> bin -->java。

上面只是大概講了運行一個java程序的流程，下面再從編譯期以及運行期的角度在剖析一下細節。

2. 編譯期間都作了什麼？

編譯器（compiler）是一種計算機程序，它會將某種編程語言寫成的源代碼（原始語言）轉換成另外一種編程語言（目標語言）。

編譯期都作了什麼？從咱們使用者角度看無非就是把源代碼編譯成了可被虛擬機執行的字節碼，可是從平臺(編譯器)角度看，它所經歷的流程還很多。 畢竟總不能給你什麼以.java爲後綴的文件都進行編譯吧，須要有各類校驗解析步驟

2.1 解析與填充符號表

詞法語法分析

詞法分析

是指把源代碼的字符流轉爲標記(Token)集合,標記(Token)是編譯階段的最小單元，字符則是編程階段源碼的最小單元。
好比，int i = 0由4個標記構成分別是「int,i,=,0」編譯器只認識這些標記，詞法分析過程就是識別一個個標記的過程

語法分析

則是把生成的標記集合 構成一個語法樹，每一個節點表明程序代碼中的語法結構，如包，類型，修飾符，運算符等等。

填充符號表
經過了上面的詞義語義分析以後咱們須要把數據存起來，以供後續流程使用，編譯器會以key-value的形式存儲數據，以符號地址爲key符號信息爲value，具體形式沒作限制能夠是樹狀符號表或者有序符號表等。
在語義分析中，根據符號表所登記的內容 語義檢查和產生中間代碼，在目標代碼生成階段，當對符號表進行地址分配時，該符號表是檢查的依據。

2.2 註解處理器

註解與普通的Java代碼同樣，是在運行期間發揮做用的。咱們能夠把它看作是一組編譯器的插件，在這些插件裏面，能夠讀取、修改、添加抽象語法樹中的任意元素。
若是這些插件在處理註解期間對語法樹進行了修改，編譯器將回到解析及填充符號表的過程從新處理，直到全部插入式註解處理器都沒有再對語法樹進行修改成止。
換句話說當咱們處理註解時若是修改了語法樹的話會從新執行分析以及符號填充過程，把註解也填充進來，直處處理完全部註解。

2.3 語義分析

語法分析以及處理註解以後，編譯器得到了程序代碼的抽象語法樹，語法樹能表示一個結構正確的源程序的抽象，但沒法保證源程序是符合邏輯的。
說白了，語法樹上的內容單個來講是合法的可是結合到上下文語義則未必是合法的。

好比定義了兩個變量

int a = 1; 
boolean b = false;
int c = a + b
複製代碼

以上 都能構成結構正確的語法樹，可是根據語義分析以後編譯是通不過，Java語言中是不合乎邏輯的。

2.4 解語法糖

Java 中最經常使用的語法糖主要有泛型、變長參數、條件編譯、自動拆裝箱、內部類等。虛擬機並不支持這些語法，它們在編譯階段就被還原回了簡單的基礎語法結構，這個過程成爲解語法糖。

換句話說，不論你是否使用Java的語法糖，最終到jvm哪裏的時候都是同樣的，jvm不支持語法糖，因此須要編譯階段解語法糖，語法糖的初衷是用來提高開發效率，而不是代碼性能。

2.5 字節碼生成

字節碼生成是Javac編譯過程的最後一個階段，在Javac源碼裏面由com.sun.tools.javac. jvm.Gen類來完成。字節碼生成階段前面各個步驟所生成的信息（語法樹、符號表）轉化成字節碼寫到磁盤中，主要工做就是把語法樹和符號表加工成字節碼文件。

3. 運行期間都作了什麼？

java的運行期主要是處理編譯器產生的字節碼，包括加載與執行。

3.1 加載器與驗證器

java提供類加載器把虛擬機外部的字節碼資源載入到虛擬機的運行時環境(主要是指虛擬機的方法區)
並提供字節碼驗證器來保證載入的字節碼是安全合法的，對程序沒有危害的。

加載器 (Class Loader)

當字節碼還沒被類加載器加載以前它目前還處於虛擬機外部存儲空間裏,要想執行它須要經過類加載器來加載到虛擬機的運行時內存空間裏。關於類加載器不太想過多擴展，有興趣珂查閱相關書籍資料。

常見類加載器有：

• Bootstrap ClassLoader（啓動類加載器:加載位於<JAVA_HOME>\lib 目錄下的類文件，如rt.jar
• Extension ClassLoader（擴展類加載器）: 加載位於<JAVA_HOME>\lib\ext目錄下的類文件
• Application ClassLoader（應用程序類加載器）:加載位於類路徑(ClassPath)下的類文件

總之，加載器的任務就是把字節碼資源載入到虛擬機運行時環境裏

字節碼驗證 (Bytecode Verifier)

當類加載器將新加載的字節碼呈現給虛擬機時，首先由驗證器來檢查驗證這些字節碼。驗證程序檢查指令是否沒法執行明顯有害的操做。除系統類以外的全部類都須要通過驗證。也可使用命令-noverify選項來停用驗證。

字節碼驗證器主要驗證以下幾項：

• 變量在使用前初始化
• 不違反訪問私有數據和方法的規則
• 運行時堆棧不會溢出
• 全部Java虛擬機指令的參數都是有效類型
• 各類類型檢查

參考 docs.oracle.com/javase/spec…

總之，驗證器的任務就是保證加載器載入的字節碼資源的安全性，正確性

3.2 解釋器與JIT編譯器

解釋器

解釋器（interpreter），是一種計算機程序，可以把高級編程語言一行一行解釋 運行。

劃重點：一行一行運行，說白了就是效率低

解釋器每次運行程序時都要一行一行先轉成另外一種語言再做運行，所以解釋器的程序運行速度比較緩慢。它不會一次把整段代碼翻譯出來，而是每翻譯一行程序敘述就馬上運行，而後再翻譯下一行，再運行，如此不停地進行下去。

JIT編譯器

即時編譯（Just-in-time compilation）是一種提升程序運行效率的方法。一般，程序在執行前所有被翻譯爲機器碼。

Java最初的版本沒有JIT編譯器，徹底靠解釋器來運行的，可是爲了提高性能便引入了JIT編譯器，

重點說明：當咱們說編譯的時候基本上指的是上面的從源碼到字節碼的編譯過程，而不是指JIT編譯器

JIT編譯器工做階段基本是java程序運行期的最後階段了，它的工做是將加載的字節碼轉換爲機器碼。當使用JIT編譯器時，硬件能夠執行JIT編譯器生成的機器碼，而不是讓JVM重複解釋執行相同的字節碼致使相對冗長的翻譯過程。 這樣能夠帶來執行速度的性能提高。

何時觸發即時編譯？

• 被屢次調用的方法
• 被屢次執行的循環體

上面兩個條件又叫作熱點代碼，至於如何界定這個屢次或者熱點，Java提供了兩種策略：

熱點探測: 虛擬機按期檢查線程的棧頂，若是某個方法常常出如今棧頂 則推斷爲熱點代碼

計數器: 統計方法的調用次數，維護一個計數器列表

基於計數器來推斷熱點代碼是HotSpot虛擬機採用的策略

一般狀況下，解釋器和JIT編譯器混合配合工做，而不是單獨工做，這樣能夠作到互補提高總體性能。HotSpot 虛擬機的解釋器JIT編譯器架構以下圖所示：

HotSpot虛擬機中內置了兩個即時編譯器，分別稱爲Client Compiler和Server Compiler，或者簡稱爲C1編譯器和C2編譯器，默認採用解釋器與其中一個編譯器直接配合的方式工做，程序使用哪一個編譯器，取決於虛擬機運行的模式，用戶也可使用「-client」或「-server」參數去強制指定虛擬機運行在Client模式或Server模式。

4. 總結

java 程序是如何運行的？

首先須要把源代碼(高級語言) 編譯成虛擬機可執行的語言(字節碼)
其次，須要把字節碼解釋運行後者編譯成操做系統級別的機器語言，用於執行函數調用(System call)

Java是如何作到平臺獨立的？

主要是由於字節碼技術。咱們能夠把在Windows系統上編譯生成的字節碼文件放在Linux系統上去執行，反之亦可。
虛擬機不在意你是那個操做系統生成的字節碼文件，他只在意加載的這個.class字節碼文件是不是正確的，安全的。

雖然Java語言是平臺獨立的，可是虛擬機不行。每種操做系統都要下載對應的虛擬機，這主要是因爲它最終調用的函數庫以及線程模型不一樣。

參考：

1.docs.oracle.com/javase/spec…. 2.深刻理解Java虛擬機