JVM-1.编译

时间：2021-12-18 05:30:21
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一、编译器概述
二、编译器组成
三、示例
四、深入理解JVM中的编译器
五、语法糖
六、补充
 
 
一、编译器概述
1、编译器实质
编译器的实质是将一种语言规范转化为另一种语言规范；由人容易理解到机器容易理解。Javac将java文件中的源代码，转化成JVM能够识别的class文件中的字节码；然后JVM再转化为机器可以识别的机器语言。
2、编译器类型
前端编译器：.java->.class；如Sun的javac
JIT编译器：运行期编译器，字节码->机器码；如Hotspot的C1、C2编译器
AOT编译器：静态提前编译器，.java->机器码
3、前端编译器对代码的优化主要在程序编码(帮助程序员改善编码风格、提高编码效率)；而JIT主要是性能优化，这样其他语言的代码也可以被优化。
许多Java新的语法特性，是通过语法糖实现，而不需要虚拟机的底层支持。
 
 
二、编译器组成
1、词法分析器：生成token流。词法分析器读取源文件中的每个字符，识别关键字、分隔符等，生成token流；token流中包括：
（1）java关键词：package、import、public、class、int等
（2）自定义单词：包名、类名、变量名、方法名
（3）符号：=、;、+、-、*、/、%、{、}等
2、语法分析器：生成结构化的、可操作的语法树；其实是将token中的单词组成一句句话。有些地方叫做抽象语法树(AST)。
3、语义分析器：生成注解语法树，更接近目标语言的语法规则。语义分析器在语法树基础上做很多处理，包括
1、添加默认的无参构造器（在没有指定任何有参构造器的情况下）【《JVM》中，在语法分析器和注解处理之前，有一步填充符号表，其中的操作包括添加默认的无参构造器】
2、处理注解:JDK1.6以后，开始提供插入式注解处理器的API，可以理解为编译器的插件；如果注解处理器修改了语法树，编译器将循环进行(解析+填充+注解处理)；通过注解处理器，程序员可以干预编译过程。
3、标注：检查语义合法性、进行逻辑判断
•检查语法树中的变量类型是否匹配（eg.String s = 1 + 2;//这样"="两端的类型就不匹配）
•检查变量、方法或者类的访问是否合法（eg.一个类无法访问另一个类的private方法）
•变量在使用前是否已经声明、是否初始化
•常量折叠（eg.代码中：String s = "hello" + "world"，语义分析后String s = "helloworld"）
•推导泛型方法的参数类型
4、数据及控制流分析【编译时分析与类加载时分析，目的类似，但校验范围有一些区别。如局部变量在内存中没有flag，对final的校验只能在编译阶段进行】
•局部变量使用前是否有赋值【《JavaWeb》认为属于上一步，《JVM》认为属于本步】
•变量的确定性赋值（eg.有返回值的方法必须确定有返回值）
•final变量只能赋一次值，在编译的时候再赋值的话会报错
•所有的检查型异常是否抛出或捕获
•所有的语句都要被执行到（return后边的语句就不会被执行到，除了finally块儿）
5、进一步语义分析
•去掉永假代码（eg.if(false)）
•变量自动转换（eg.int和Integer）
•去掉语法糖（eg.foreach转化为for循环，assert转化为if，内部类解析成一个与外部类相关联的外部类）
6、最后，将经过上述处理的语法树转化为最后的注解语法树
【个人记忆】除了注解处理、去除语法糖，可以这么分类：
类：添加无参构造器；变量、方法、类的访问是否合法
字段：变量类型是否匹配；final是否多次赋值；常量折叠
方法外部：返回值是否正确；异常是否抛出或捕获
方法内部：变量使用前是否声明并初始化；所有语句都被执行到；去除永假代码
4、代码生成器：生成字节码
（1）生成<init>()和<cinit>()方法：其实是代码收敛，包括{}、static{}、变量初始化、调用父类的实例构造器等。
（2）其他优化：如字符串的加操作替换为StringBuilder或StringBuffer的append()操作。
（3）生成字节码
 
 
三、示例
（1）源代码到token
package compile;

/**
* 词法
*/
public class Cifa {
int a;
int c = a + 1;
}

JVM-1.编译

（2）语法树
package compile;
public class Yufa {
    int a;
    private int c = a + 1;
    public int getC() {
        return c;
    }
    public void setC(int c) {
        this.c = c;
    }
}

JVM-1.编译

 
 
四、深入理解JVM中的编译器
1、《JVM》一书中对编译器的编译过程的划分不太一样，但大体一致。
2、解析与填充符号表
解析：词法分析和语法分析
填充符号表：符号表是一组符号地址和符号信息构成的表格；符号表中信息在编译阶段多次用到。如语义分析时用于语义检查；字节码生成阶段，当对符号名分配地址时，符号表是地址分配的依据。
3、注解处理
4、语义分析
标注检查
数据及控制流分析
解语法糖
5、字节码生成
 
 
五、语法糖
1、语法糖：在计算机语言中添加某种语法，这种语法能使程序员更方便的使用语言开发程序，同时增强程序代码的可读性，避免出错的机会；但是这种语法对语言的功能并没有影响。Java中的泛型，变长参数，自动拆箱/装箱，foreach循环，条件编译，枚举，内部类，断言，对枚举和字符串的switch，try语句中定义和关闭资源(?)等都是语法糖，即虚拟机本身并不支持。
2、泛型：伪泛型，类型擦除
泛型的本质是参数化类型；泛型出现前常用方法是Object类+类型转换；Java泛型的实现是类型擦除，即伪泛型。
例如List<String>和List<Integer>在运行期是一个类，即List；使用时进行类型转换。
泛型在重载方面的尴尬：下面两个方法无法重载。
public void method(List<Integer> list){}
public void method(List<String> list){}
由于类型被擦除，为了区分不同参数化类型，引入了一些其他属性，如Signature等；因此类型擦除只是对方法的Code属性中的字节码进行擦除，元数据仍保留了泛型信息，因此可以通过反射手段取得参数化类型。【这段理解不深入，略】
3、自动拆箱和自动装箱：intValue()和Integer.valueOf()
变长参数：参数是数组
foreach循环：iterator
4、条件编译
C、C++ 的预处理器最初的任务是解决编译时的代码依赖关系（如#include），而在 Java 语言之中并没有使用预处理器，因为 Java 语言天然的编译方式（不一个个编译 Java 文件，而是将所有编译单元的语法树*结点输入到待处理列表后再进行编译，因此各个文件之间能够互相提供符号信息） 无需使用预处理器。
实现举例：
public static void main(String[] args) {
    if(true){
        System.out.println("True");
    }else{
        System.out.println("False");
    }
}
编译后：
public static void main(String args[])
{
    System.out.println("True");
}


注意：只有if+常量可以实现条件编译，常量+while等编译会报错；消除无法到达的分支也是在解语法糖阶段完成；只能实现语句块级别的条件编译。
 
 
六、补充
1、实战：插入式注解处理器，略
2、访问者设计模式：将数据结构(如语法树)和对数据结构的操作解耦；略。
3、主要参考：《深入理解Java虚拟机》
 

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