.java文件编译过程和执行过程分析以及计算机简单认识
一个.java文件的"沉浮"之路
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1:引言：
由于昨天的网络问题，导致分享做的不是特别好。所以老薛这里写了一份分
享的笔记，希望可以帮助那些没有听课的同学稍稍弥补一下。
昨天的分享大概分为一下几个模块来讲解的：
i：分享初衷
ii：分享内容大纲
iii：建议
iv：一个.java文件的沉浮之路
a：什么是计算机？
b：计算机发展历史
c：.java文件如何变为.class文件
d：.class文件如何被JVM加载，加载内容如何解析
e：jvm和操作系统和底层硬件的简单交互。
2:分享初衷：
很多人遇到一个很尴尬的问题：一看就会，一问就懵，一敲就傻。
新技术层出不穷，到底学习什么？如何取舍。
业务代码很多，编写代码不够优，不知道如何增加自己的硬编码实例。
每天都很忙，不知道如何利用自己的碎片化时间武装自己的知识体系。
基于以上内容，希望能够找到一些技术。分享给大家，而这些技术必须具备如下特征：
可能实用价值不高，但是希望能够在未来很长一段时间对你而言都有帮助
可以很好的和目前的编码统一起来，不能由于新的技术加入，导致和目前的学习工作没有关系
3:分享内容大纲
基于刚才的内容，我大概在自己有限的学习数据库中整理了一下。我会在以下内容开始分享：
‘瞎’侃计算机组成与系统结构
‘胡’说数据结构和算法
‘嗨’聊计算机网络
实战编码：
你真的会写代码吗？ 如何写出优雅高效的代码！
什么是面向对象？能够通过面向对象的方式去看待问题，而非将对象作为一个Data
手撕系列！能够通过java 写一些好玩的内容。比如服务器，jvm，Struts，Spring等
4:建议
大家也能看到我这里所有的内容都是加了一个字，所以我尽自己的最大能力把这个东西分享的好玩一点。并且也希望大家意识到，我和大家分享的内容只是我的理解，千万不能全信。
我希望如果你真的想和我一起增强自己的知识脉络，最好能做到以下几件事情：
存疑+坚持+广而告之+参与感
1:存疑 任何知识传播都是会存在差异性的。所以千万不能全信，要有自己的主观判断。
但是基于28法则，大概率我聊的80%内容你应该是要信的。嘿嘿～～
2:坚持 这个就不谈了，一句话总结，世界上最难的事情就是坚持，最简单的事情就是放弃。
3:广而告之 我希望我分享的内容你能够有一个落地，笔记，博客，一定要形成一个书面的内容。
4:参与感 千万记得，免费的东西是最贵的，因为耗费了你的时间，所以我会努力做的更好，而
如果你也认可这件事情，请一定要参与进来，而不是作为一个旁观者。
如果这些你都能做到，那么就和我一起并肩前行吧！😁
5:.java文件的沉浮之路
接下来进入到这次分享的主要内容，看看小J同学在执行过程中都经历了什么！😊
编写一个.java文件然后依次编译，执行。过程如下：
5-1:编写一个.java文件
编写一个.java文件
5-2:通过javac和java指令执行
这个运行过程就不赘述了，我们直接上图：
java跨平台原理
5-3:揭秘第一部分.java文件如何变为.class文件
编译器遵守什么规则，将.java文件编译为.class文件
5-3-1:编译规则：
编译过程
5-3-2:词法分析：
.java文件编译为.class文件时，先进行词法分析 如下图：
词法分析
总结：这里着重解析.java文件编写的第5行代码，可以将例子后的代码理解为java中的第5行代码。
在进行词法分析时，会将内容进过线性分析，变成一张符号表。符号表为上图中的右侧内容。右侧的表格内容由三部分构成：
1: 唯一表示 1，2，3 类似符号表中的地址编号
2: 变量名称 比如：标识符position，操作符号 + 等等
3: 变量的值
由词法分析我们将整个.java文件中的内容变成了一张表。接下来：
5-3-2:语法分析：
词法分析变为一张符号表，继续语法分析
语法分析
总结：通过形成的符号表，会生成一颗语法二叉树。在这里有一个很有意思的东西，就是我们观察二叉树，发现符号作为了根节点，而且+号的节点在*号的节点之上。这里解析时倒叙解析。那么为什么*号会在+号节点之下，其实如果你要定义一个语言时，一定要告知这个语言一定是一个形式化的，这个形式化的方式可以通过BNF定义。在形式化的定义规则里，*号的优先级别高于+号。
`BNF`巴科斯范式(BNF: Backus-Naur Form 的缩写)。引入一种形式化符号来描述给定语言的
语法。就是通过BNF来定义语言的语法，按照定义的规则去形成编译时的语法分析。
扩展：
在双引号中的字("word")代表着这些字符本身。而double_quote用来代表双引号。
在双引号外的字（有可能有下划线）代表着语法部分。
尖括号( < > )内包含的为必选项。
方括号( [ ] )内包含的为可选项。
大括号( { } )内包含的为可重复0至无数次的项。
竖线( | )表示在其左右两边任选一项，相当于"OR"的意思。
::= 是“被定义为”的意思。
这部分内容主要涉及编译原理，有兴趣可以自行参考：
5-3-3:java的bnf定义：
java的bnf定义
总结：大家可以根据上面的bnf扩展语法，我们发现java的bnf定义如果要声明一个类class_declaration被这样定义：<modifier> 需要编写一个修饰符，修饰符的定义：modifier:=="public"|"private"...,这里我们可知定义类的时候必须时这些关键词，关键词已经给出来了。如果你写的class的修饰符不是modifier定义的词，那么编译时语法就会报错。依次类推。“class”是必须要写的，同理如果定义类是不写则编译语法报错。在到后面的identifier，也是有对应定义的值：identifier:=="a..z,$,_"<"...." 。其实这个不就是java规范中对于标识符的定义吗？不能以数字开头。其实要编写一门语言。必须要有形式化的bnf定义。
5-3-4:语义分析：
语义分析，注意计算机的语义分析一定要知道，计算机语言不能存在
二意性。这个和自然语言不通。
语义分析
总结：在语义分析是会做类型检查，控制流检查，类型检查等等。我们回想之前的java程序，在进行*发运算时，由于rate时float类型，而60时一个int类型的字面值。此时会将60这个int类型转换为float，其实类型转换是在编译时发生的。回想我们编写程序时的基本数据类型的类型转换错误，是不是发生在编译阶段呢？
5-3-5:中间代码生成，优化以及生产对应的目标文件：
产生最后的目标文件
执行过程
总结：在整个执行过程中，我们发现一个程序编译为字节码文件之后，其实就是一大堆的二进制数据。这里字节码展示是通过16进制查看的。然后进过jvm加载，解析，在jvm中构建一个运行时结构，然后开始执行。我们接下来就编写程序，以及通过反汇编指令去深究一下.class文件中到底有哪些内容。
5-4-2-1:将我们之前编写的Demo.java编译之后进行读取：
注意：通过流的方式将Demo.class读取进来，且按照16进制显示数据如下
读取16进制内容
下图是16进制对应一览表
16进制对应一览表
总结：
1: u:代表无符号位，u4代表无符号4个字节用来代表魔数。意思凭什么能够确定当前文件是.class呢？
由魔数确定。也就意味着.class文件的魔数为`cafebabe`,俗称`咖啡宝贝`。你也可以读取一下
jpg或者其他类型的文件的前4个字节是什么。
2: 后续的u2，无符号位2个字节代表次版本号，那就是以为当前次版本号为0
3: 后续的u2，无符号位2个字节代表主版本号，那么这里是是00 35，也就是53，也就是jdk9.
JDK各个版本对应关系
JDK 1.10= 54 JDK 1.9 = 53 JDK 1.8 = 52 JDK 1.7 = 51 JDK 1.6 = 50
JDK 1.5 = 49 JDK 1.4 = 48 JDK 1.3 = 47 JDK 1.2 = 46 JDK 1.1 = 45
4:扩展一下，这里采用的是大端模式，关于大小端我之前有聊过。大家也可以参考资料再看看。
其实采用大端有个地方特别好，这样我们再解析这个16进制内容就稍微方便一点，直接可以省略开头为
0的字节。
5: 后续的u2，无符号2个字节代表常量池个数，注意这里的常量池和我们一般意义下的内存中的常量池
还是有区别的，这里的常量池是包括所有字面常量，比如变量，类名，方法名等等。这里是00 30，那么
也就也为者有48个常量，往后数48个字节，都代表的是常量值。这里注意，48要加上本身常量池的个数 也会占空间，也就以为着一共只有47个常量。
6: 再往后的u2，代表的是访问标志，该类的修饰符，以及是否可以使用比如多态，如果可以使用那么意 味着就可以使用invokespecial，这个是java字节码调用指令，代表可以调用私有实例方法，构造器以 及使用super调用父类的实例方法等。剩下的依次类推。
大小端资料参考
通过javap -c -v反汇编，查看内容：
以下内容中两个`中间的内容是老薛写的注释
Classfile /Users/iongst/Desktop/Demo.class `class文件所在地址`
Last modified 2018年9月8日; size 884 bytes `最后一次修改时间以及大小`
MD5 checksum 8619092419ab6d93efe90de9a29f5e36 `md5值`
Compiled from "Demo.java" `编译自那个文件`
public class Demo `类的声明`
minor version: 0 `次版本号`
major version: 53 `主版本号 jdk9`
flags: (0x0021) ACC_PUBLIC, ACC_SUPER `访问标志，acc_public 代表是public修饰，acc_super 代表可以使用invokespecial `
this_class: #7 // Demo `thisclass thisclass指向了#7的地址，可以看看#7是什么`
super_class: #8 // java/lang/Object
interfaces: 0, fields: 0, methods: 2, attributes: 3 `对照进制一览表，分别代表接口个数为0，没有实现接口
fields字段个数为0 方法个数2个，属性有3个。问题2:这里的fields和attributes代表什么含义？`
Constant pool: `常量池`
#1 = Methodref #8.#17 // java/lang/Object."<init>":()V
#2 = Float 3.1f
#3 = Float 60.0f
#4 = Fieldref #18.#19 // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
#5 = InvokeDynamic #0:#23 // #0:makeConcatWithConstants:(F)Ljava/lang/String;
#6 = Methodref #24.#25 // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
#7 = Class #26 // Deme `存储了#26 继续往下找`
#8 = Class #27 // java/lang/Object
#9 = Utf8 <init>
#10 = Utf8 ()V
#11 = Utf8 Code
#12 = Utf8 LineNumberTable
#13 = Utf8 main
#14 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V
#15 = Utf8 SourceFile
#16 = Utf8 Demo.java
#17 = NameAndType #9:#10 // "<init>":()V
#18 = Class #28 // java/lang/System
#19 = NameAndType #29:#30 // out:Ljava/io/PrintStream;
#20 = Utf8 BootstrapMethods
#21 = MethodHandle 6:#31 // REF_invokeStatic java/lang/invoke/StringConcatFactory.makeConcatWithConstants:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/String;[Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/invoke/CallSite;
#22 = String #32 // 计算结果是：\u0001
#23 = NameAndType #33:#34 // makeConcatWithConstants:(F)Ljava/lang/String;
#24 = Class #35 // java/io/PrintStream
#25 = NameAndType #36:#37 // println:(Ljava/lang/String;)V
#26 = Utf8 Demo `就存储了类名，问题1:为什么要存储类名？`
#27 = Utf8 java/lang/Object
#28 = Utf8 java/lang/System
#29 = Utf8 out
#30 = Utf8 Ljava/io/PrintStream;
#31 = Methodref #38.#39 // java/lang/invoke/StringConcatFactory.makeConcatWithConstants:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/String;[Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/invoke/CallSite;
#32 = Utf8 计算结果是：\u0001
#33 = Utf8 makeConcatWithConstants
#34 = Utf8 (F)Ljava/lang/String;
#35 = Utf8 java/io/PrintStream
#36 = Utf8 println
#37 = Utf8 (Ljava/lang/String;)V
#38 = Class #40 // java/lang/invoke/StringConcatFactory
#39 = NameAndType #33:#44 // makeConcatWithConstants:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/String;[Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/invoke/CallSite;
#40 = Utf8 java/lang/invoke/StringConcatFactory
#41 = Class #46 // java/lang/invoke/MethodHandles$Lookup
#42 = Utf8 Lookup
#43 = Utf8 InnerClasses
#44 = Utf8 (Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/String;[Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/invoke/CallSite;
#45 = Class #47 // java/lang/invoke/MethodHandles
#46 = Utf8 java/lang/invoke/MethodHandles$Lookup
#47 = Utf8 java/lang/invoke/MethodHandles
`常量池个数一共有47个，所以虽然我们查看是48个是包含本身常量池的1的所以是48`
{
public Demo();
descriptor: ()V
flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
LineNumberTable:
line 1: 0
public static void main(java.lang.String[]);
descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
flags: (0x0009) ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=3, locals=4, args_size=1
0: bipush 10
2: istore_1
3: ldc #2 // float 3.1f
5: fstore_2
6: iload_1
7: i2f
8: fload_2
9: ldc #3 // float 60.0f
11: fmul
12: fadd
13: fstore_3
14: getstatic #4 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
17: fload_3
18: invokedynamic #5, 0 // InvokeDynamic #0:makeConcatWithConstants:(F)Ljava/lang/String;
23: invokevirtual #6 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
26: return
LineNumberTable:
line 3: 0
line 4: 3
line 5: 6
line 6: 14
line 7: 26
}
SourceFile: "Demo.java"
InnerClasses:
public static final #42= #41 of #45; // Lookup=class java/lang/invoke/MethodHandles$Lookup of class java/lang/invoke/MethodHandles
BootstrapMethods:
0: #21 REF_invokeStatic java/lang/invoke/StringConcatFactory.makeConcatWithConstants:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/String;[Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/invoke/CallSite;
Method arguments:
#22 计算结果是：\u0001
文末总结：
大家如果真的能耐着性子把这个文章看完，在我看来真的很厉害了。后面也埋了一些坑，比如后面的方法调用，我这里一共添加了108号反编译之后的代码，后面很多代码老薛也没有讲解，这个作为后续内容。那么我们是不是可以这样理解，如果我们将一个.class文件读取进来之后，按照对照一览表开始解析，只要我们能够分析出来运行时数据区，我们完全是可以自己写一个jvm的。这是没有问题哦。
如果大家有什么问题，大家可以在文末或者是微信私聊老薛。老薛微信 lukun0402
本章内容参考书籍资料：《编译原理》 《深入理解计算机系统》 《码农翻身》
课后作业：
- 我们知道cpu是个快速设备，内存稍次之，磁盘排第三，如果你走网络会更慢，那么整个执行过程其实是通过最低速设备决定的，你有什么比较好的办法能够解决这个问题吗？
- 给大家布置了数据结构的系统，如果兴趣的同学可以做一做。作业地址。也可以复制链接：https://github.com/iongst/dataStructure
- 在作业中也留了一些作业，编写数据结构时，在老薛写的接口中，已经留了思考的彩蛋，大家努力查找吧。
