从Java源代码到机器代码详细讲解

2021-05-25 16:25:25
1316次极悦

编译器可以分为前端编译器、JIT编译器和AOT编译器。我们一个接一个地谈吧。

java源代码

前端编译器：源代码到字节码

正如我们前面所说的，对于Java虚拟机，实际输入是字节码文件，而不是Java文件。那么，实际上如何将Java代码转换为Java语言的字节码文件呢？我们知道JDK安装目录中有一个JavaC工具，它将Java代码转换成字节码。这个工具叫做编译器。与后面提到的其他编译器相比，它们还处于编译的早期阶段，因此称为前端编译器。

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通过Javac编译器，我们可以很容易地将Java源文件翻译成字节码文件。以Hello World为例：

public class Demo{
   public static void main(String args[]){
        System.out.println("Hello World!");
   }
}

当我们使用javac命令编译上面的类时，我们生成一个Demo.类文件：

> javac Demo.java
> ls 
Demo.java Demo.class

当我们使用纯文本编辑器打开演示时。类文件，我们将发现一系列16位的二进制流。

运行Javac命令的过程实际上是解析Java源代码并通过Javac编译器生成字节码文件的过程。直截了当地说，Java语言规范实际上是通过使用Javac编译器转换成字节码语言规范的。javac编译器的过程可以分为以下四个阶段：

第一阶段是词汇和语法分析。在这个阶段，JVM扫描源代码的字符一次，最后生成一个抽象语法树。简单地说，在这个阶段，JVM将理解我们的代码真正想要做什么。正如我们分析一个句子一样，我们将它分为主语、谓语和宾语，并找出句子的意思。

第二阶段：填写符号表。我们知道类彼此引用，但是在编译阶段，我们不能确定它们的特定地址，所以我们使用符号代替。我们在这个阶段所做的是类似的，即抽象类或接口的符号填充。加载类时，JVM用特定的内存地址替换符号。

第三阶段：注释处理。我们知道Java支持注释，所以在这个阶段，注释将根据注释的作用被分析并恢复到特定的指令集。

第四阶段：分析和字节码生成。在这个阶段，JVM将基于以上阶段的结果生成字节码，并且最终输出是一个类文件。

我们一般称javac编译器为前端编译器，因为其发生在整个编译的前期。常见的前端编译器有Sun的javac，Eclipse JDT的增量式编译器（ECJ）。

JIT编译器：从字节码到机器码

当源代码转换为字节码时，有两种选择可以运行程序。一种是使用Java解释器来解释执行字节码，另一种是使用JIT编译器将字节码转换成本地机器代码。

两种方法的区别在于前者启动速度快，但运行速度慢，而后者启动速度慢，但运行速度快。原因很简单。因为解释器不需要像JIT编译器那样将所有字节码转换为机器代码，所以它自然地减少了优化时间。当JIT编译器完成其第一次编译时，它将保存与字节代码对应的机器代码，并且可以在下次直接使用。正如我们所知，机器代码必须比Java解释器更有效。因此，在实践中，为了更快、更有效地运行，我们通常结合这两种方法编译和执行Java代码。

HotSpot虚拟机内置了两个即时编译器，客户端编译器和服务器编译器。这两个不同的编译器派生了两种不同的编译模式，分别称为C1编译模式和C2编译模式。

注意：现在很多人都称客户端编译器C1编译器和服务器编译器C2编译器，但他们在Oracle官方文档中将其描述为编译器模式。所以C1编译器和C2编译器只是我们的习惯用语，而不是官方用语。这需要特别注意。

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那么C1编译模式和C2编译模式有什么区别呢？

C1编译模式将字节码编译为本地代码，以便进行简单可靠的优化，并在必要时添加性能监视逻辑。C2编译模式也把字节码编译为本地代码，但是它能够进行一些需要长时间编译的优化，甚至是一些基于性能监视信息的不可靠的根本优化。

简单地说，C1编译模式相对保守，并且比C2快。C2编译模式会做一些根本性的优化，并且会基于性能监控做有针对性的优化，所以它的编译质量比较好，但是耗时。

那么到底应该选择C1编译模式还是C2编译模式呢？

实际上，对于HotSpot虚拟机，有三种操作模式，即：

混合模式（Mixed Mode）。即C1和C2两种模式混合起来使用，这是默认的运行模式。如果你想单独使用C1模式或C2模式，使用-client或-server打开即可。
解释模式（Interpreted Mode）。即所有代码都解释执行，使用-Xint参数可以打开这个模式。
编译模式（Compiled Mode）。此模式优先采用编译，但是无法编译时也会解释执行，使用-Xcomp打开这种模式。

从命令行输入Java版本，以查看我的机器上的虚拟机以混合模式运行。

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到目前为止，我们已经学习了从Java源代码到字节码的整个过程，然后从字节码到机器代码。这应该已经在这里结束了，但是在我们的Java中有一个AOT编译器，它将源代码直接转换成机器代码。

AOT编译器：源代码到机器码

AOT编译器的基本思想是在程序执行之前生成Java方法的本机代码，以便在程序运行时可以直接使用本地代码。

然而，Java语言本身的动态特性带来了额外的复杂性，这影响了Java程序的静态编译代码的质量。例如，Java语言中的动态类加载，因为AOT是在程序运行之前编译的，它不能得到这些信息，因此会导致一些问题。还有许多其他类似的问题。这里没有例子。

通常，AOT编译器在编译质量方面肯定不如JIT编译器。它的目的是避免JIT编译器的运行时性能或内存消耗，或者避免解释器的早期性能开销。

就运行速度而言，AOT编译器编译的代码比JIT编译器慢，但比解释快。AOT在编译时间上也是一个恒定的速度。因此，AOT编译器的存在是JVM为了性能而牺牲质量的策略。正如JVM在其运行模式中选择Mixed模式一样，C1编译模式用于简单优化，而C2编译模式用于更彻底的优化。充分利用两种模式的优点，从而达到最佳的运行效率。