Java | 聊一聊编译过程（编译前端 & 编译后端）

2020-07-28 本文已影响0人彭旭锐

前言

经过前面几篇文章的积累，相信你已经掌握了 静态的 Class 文件的结构，也理解了虚拟机类加载和字节码执行的 动态过程；
这篇文章，我们来聊一聊 Java 的编译过程，你将看到从源码到字节码再到本地代码的整个过程，希望能帮上忙。

1. 经典程序编译原理

将源代码翻译为目标代码的过程，称为编译过程，经典的程序编译过程包含以下过程：

经典编译原理示意图

如果将目标代码理解为中间代码，就是狭义上的编译过程。例如*.c文件编译生成*.obj文件的过程，或者*.java文件编译生成*.class文件的过程；
如果将目标代码理解为最终执行的机器代码，那就是广义上的编译过程。那么还包括*.obj文件链接为可执行的*.exe文件的过程，或者*.class解释 / 编译为机器代码的过程；

经典编译原理示意图

在Java技术下，除非有特定的上下文语境，编译一词通常指的是*.java转换为*.class的过程，这个过程也被称为 编译前端。除此之外，编译一词还可以指运行期即时编译（JIT，Just in Time Compile）或者（静态的）提前编译（AOT，Ahead of Time Compile），这两种编译称为 编译后端。

下面，我们整理一下 编译前端 & 编译后端 的要点：

2. 编译前端

编译前端阶段中，最重要的一个编译器就是javac 编译器，在命令行执行javac命令，其实本质是运行了javac.exe这个应用。Android工程师可能对于 Gradle构建过程更为熟悉，构建过程中有一个Task：compileDebugJavaWithJavac，其实也用到了javac 编译器。

2.1 javac 编译

下面，我们整理javac 编译器的主要处理过程：

javac 编译过程

延伸文章：
《Java | 注解处理器原理解析与实践》
《Java | 谈谈你对类加载过程的理解》
《Java | 你知道方法重载与方法重写的区别吗》

2.2 Java 常用语法糖

语法糖 指的是高级语言中的某种语法，这些语法糖在编译时进行解语法糖，转换为无糖语法。这些语法糖大多都是靠编译器实现，而不是依赖字节码或者虚拟机的底层支持。下表总结了部分熟知的语法糖：

Java 常见语法糖示例

延伸文章：
《Java | 泛型从入门到精通》
《Java | 为什么非静态内部类会持有外部类的引用》
《Java | switch 和 if-else 哪个更高效》

3. 编译后端

在编译后端阶段中，最重要的是 运行期即时编译器（JIT，Just in Time Compiler）和 静态的提前编译器（AOT，Ahead of Time Compiler）。

3.1 解释执行 & 编译执行

根据前面的内容，我们知道编译前端的核心编译产物是：Class 文件。但是对于CPU来说，它是不认得字节码的。在《Java | 为什么 Java 实现了平台无关性》这篇文章里，我们强调了：每种CPU只能“读懂”自身支持的机器语言或者本地代码（native code）。

因此，Java 虚拟机在执行字节码时，需要将字节码翻译为当前平台的本地代码，可以分为：解释执行 & 编译执行，具体如下：

需要注意的是，并不是所有的Java 虚拟机都采用解释器与编译器并存的运行架构。当触发即时编译时，执行引擎（默认）不会等待即时编译完成，而是先按解释执行的方式继续执行。直到即时编译完成后，方法的入口地址才会被修改。

3.2 即时编译器热点探测

那么，即时编译器是如何探测热点代码的呢？具体来说，探测的热点代码有两种：：被多次调用的方法 & 被多次执行的循环体。使用的探测方法有：基于采样 & 基于计数器：

3.3 编译器优化技术

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4. 总结

编译前端的优化措施主要目的是降低程序员的编码复杂度，提高编码效率。语法糖并不是不是依赖字节码或者虚拟机的底层支持，在编译后会转换为基础的无糖语法。另外，注解处理器相当于编译器的插件，开发人员可以通过它对前端编译施加影响。
编译后端的优化措施主要目的是生成更高效的机器代码，提高运行效率。提前编译在程序运行前编译字节码，相当于提前预热。而即时编译器在运行时动态监控程序运行，探测得热点代码后编译为本地代码，生成的代码更高效，但需要预热期。

参考资料

《深入理解Java虚拟机（第3版本）》（第10、11章）—— 周志明著
《深入理解Android：Java虚拟机 ART》 —— 邓凡平著
《深入理解 JVM 字节码》（第4、5章）—— 张亚著