? ? 軟件開發(fā)的環(huán)境需要什么？一個(gè)IDE充包，一個(gè)OS副签，一個(gè)硬件設(shè)備，沒錯(cuò)基矮，這個(gè)實(shí)質(zhì)是軟件進(jìn)展的三個(gè)層集淆储。在很久很久以前（幾十年），軟件就是直接開發(fā)在硬件設(shè)備上的家浇，用紙帶有無孔標(biāo)識二進(jìn)制位本砰，此時(shí)的開發(fā)語言是機(jī)器碼，軟件直接對接硬件設(shè)備钢悲；后來很不方便点额，尤其不方便復(fù)用，然后莺琳，有了匯編还棱，有了簡單的編譯環(huán)境，然后逐漸發(fā)展成為OS內(nèi)核惭等；時(shí)代會進(jìn)步珍手，軟件要處理越來越多復(fù)雜的場景，然后有了高級語言：C等，為了更加高效友好的開發(fā)琳要，有了最初期的IDE料扰，2000年左右的程序員，應(yīng)該用記得有一個(gè)Turbo C焙蹭，這個(gè)也是我的入門IDE，這個(gè)至少要比記事本寫代碼方便了一些嫂伞。軟件的規(guī)模越來越大孔厉，行業(yè)分工越來越細(xì)，開發(fā)的效率也越發(fā)的重要帖努，以Android為例撰豺，從Eclipse到google官方所推的Android Studio，IDE的功能越來越強(qiáng)大拼余，這個(gè)解放了程序員污桦，但也控制了程序員，有誰還會知道匙监，寫在這些IDE中的代碼行凡橱，為什么可以執(zhí)行在手機(jī)上？中間有什么過程亭姥，是什么模塊在控制這些過程稼钩？是完全由IDE實(shí)現(xiàn)的嗎？我相信能答出這個(gè)問題的人是少數(shù)达罗。古人說過坝撑，要知其然，還要知其所以然粮揉，只會使用IDE去寫固定的功能模塊巡李，只是一個(gè)普通碼農(nóng)，要想用好一個(gè)工具（包括IDE及語言）扶认，還要了解其實(shí)質(zhì)侨拦，要明白，我們寫好的代碼蝠引，是怎么運(yùn)行到硬件環(huán)境上的阳谍。這個(gè)話題很大，包括編譯原理螃概、OS結(jié)構(gòu)矫夯、硬件驅(qū)動(dòng)、各種語言等吊洼。大不是不去了解的理由训貌，技術(shù)的提交需要反復(fù)的打磨，好，先來揭個(gè)蓋子递沪，看一下C/C++及Java由代碼到機(jī)器碼的過程豺鼻，有了機(jī)器碼之后，再后面的運(yùn)行細(xì)節(jié)款慨，離軟件開發(fā)離得較遠(yuǎn)儒飒，和開發(fā)優(yōu)質(zhì)軟件平臺（除OS外）關(guān)系也不太大。

? ? 由源碼到機(jī)器碼檩奠，C/C++與Java的實(shí)現(xiàn)并不相同桩了，為什么要放在一起呢，三個(gè)原因吧：（一）從語言代來講埠戳，C為二代面向過程語言井誉、C++為三代面向?qū)ο笳Z言，Java為參考C++所設(shè)計(jì)的三代面向?qū)ο笳Z言整胃，其本身是有傳承的颗圣，語言會傳承，編譯運(yùn)行環(huán)境同樣是傳承的屁使，對比著看在岂，可以看出優(yōu)化方向；（二）我目前主要是在做Android開發(fā)的相關(guān)方面屋灌，這個(gè)是與自身最切身相關(guān)的語言洁段，Android的內(nèi)核是C/C++環(huán)境、應(yīng)用層和framework層是Java環(huán)境共郭，對這兩門語言有迫切的項(xiàng)目需求祠丝。（三）個(gè)人認(rèn)為，C/C++除嘹、Java作為靜態(tài)語言写半，其應(yīng)用范圍、語言特性尉咕，編譯運(yùn)行原理非常有代表性叠蝇，尤其是Java在做跨平臺，之后JVM上可以運(yùn)行其他的動(dòng)態(tài)語言年缎，可以說Java的編譯運(yùn)行可以代表一部分希望跨平臺的動(dòng)態(tài)語言悔捶，比如Kotlin。

? ? 先來看一下C/C++的源碼到機(jī)器語言過程發(fā)生了什么单芜，分為四個(gè)大步驟：預(yù)編譯蜕该、編譯、匯編洲鸠、鏈接堂淡，在C/C++中統(tǒng)稱為編譯馋缅。

? ? （一）預(yù)編譯所處理的過程包括：

? ? ? ? a.展開宏定義#define

? ? ? ? b.處理?xiàng)l件預(yù)編譯指令#if等

? ? ? ? c.處理#include

? ? ? ? d.刪除注釋

? ? ? ? e.為Debug及日志填加行號

? ? ? ? f.保留#pragma

? ? （二）編譯所處理的過程包括：

? ? ? ? a.詞法分析：使用掃描器將源碼分隔為一系列的記號（Token），即源碼中的不可分隔項(xiàng)绢淀，較為容易理解萤悴，比如下面的：

? ? ? ? int index = (2?+ 8) * c? 會被折分為 ：int index = ( 2 + 8 ) * c? 10個(gè)token，左右半括號各為一個(gè)

? ? ? ? b.語法分析

? ? ? ? 將a中分出來的Token皆的，映射為語法樹

? ? ? ? c.語義分析

? ? ? ? 在b中語法樹的基礎(chǔ)上覆履，分析是否有錯(cuò)誤語義，編譯器所能分析的語義為靜態(tài)語義费薄，包括：聲明是否正確内狗、類型是否匹配、類型的轉(zhuǎn)換是否符合要求

? ? ? ? d.經(jīng)過前面三個(gè)過程后义锥，將源代碼轉(zhuǎn)換為中間語言，可以理解為將c中通過的語法樹通過一定的規(guī)則拍平岩灭，變?yōu)轭惣儆谀繕?biāo)代碼的結(jié)構(gòu)拌倍，為什么要引入中間語言呢，目標(biāo)語言很多時(shí)候是硬件相關(guān)的噪径，而中間語言與硬件無關(guān)柱恤。

? ? ? ? e.生成目標(biāo)代碼并進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化

? ? ? ? 目標(biāo)代碼的文件組織格式為.o文件，其內(nèi)部的格式與具體設(shè)備有很大關(guān)系找爱，比如在Android中梗顺，對arm7和x86CPU要編譯出不同的so文件，此處同理车摄，不同的硬件環(huán)境生成不同的目標(biāo)代碼寺谤。目標(biāo)代碼的優(yōu)化也是針對不同情況有不同處理，在此不再展開吮播，感興趣的同學(xué)可以參考編譯原理相關(guān)書籍变屁。

? ? （三）匯編：匯編的目的是把匯編語言轉(zhuǎn)為機(jī)器語言，基本是一條轉(zhuǎn)一條意狠，沒啥特殊的

? ? （四）鏈接：鏈接是要解決目標(biāo)文件之間的互相依賴關(guān)系粟关，當(dāng)a文件中的aa方法中調(diào)用了b文件的bb方法時(shí)，在匯編完成后环戈，a文件的bb方法并沒有準(zhǔn)確的內(nèi)存地址闷板，鏈接后會轉(zhuǎn)換為虛擬地址，虛擬地址可以依據(jù)一定的規(guī)則轉(zhuǎn)換為實(shí)際地址院塞，即可以運(yùn)行時(shí)找到該方法遮晚。鏈接過程包括：地址和空間分配、符號決議和重定位迫悠，之后的文檔中可以再總結(jié)下鹏漆。

? ? Java語言從源代碼到機(jī)器碼的過程要比C/C++復(fù)雜，Java追求的是一次編譯，多次運(yùn)行的跨平臺特性艺玲，因而在分層上更為徹底括蝠。可以分為編譯期和運(yùn)行期兩個(gè)周期饭聚，編譯期的輸入為源代碼.java文件忌警、輸出為字節(jié)碼.class文件、運(yùn)行期輸入為字節(jié)碼.class文件秒梳，輸出為機(jī)器碼法绵。為何這么做可以跨平臺呢，JVM定義了嚴(yán)格的.class文件的格式酪碘，Java文件需要嚴(yán)格按照定義編譯為.class文件朋譬，然后可以拿到各個(gè)平臺各個(gè)版本的虛擬機(jī)上運(yùn)行。如果其他的語言編譯完畢后也遵循.class文件格式兴垦，也可以在JVM上和Java一樣運(yùn)行徙赢。

? ? 先來看Java的編譯期，有以下幾個(gè)過程：

? ? （一）生成語法樹及符號表的過程：

? ? ? ? a.首先進(jìn)行詞法分析探越，將源碼的字符流分解為token的集合狡赐，token的含義可以參考上面所提到的，即不可折分的個(gè)體

? ? ? ? b.語法分析钦幔，根據(jù)token集合構(gòu)建抽象語法樹

? ? ? ? c.生成符號表：符號表是一個(gè)類key-value結(jié)構(gòu)的集合枕屉，記錄符號的類型、結(jié)構(gòu)鲤氢、定義搀擂，支持增加與刪除

? ? （二）處理Java語言中的注解，修正（一）中生成的語法樹

? ? （三）語義分析卷玉，與C/C++的語義分析類似哥倔，進(jìn)行一些語義正確性檢測，具體包括：

? ? ? ? a.標(biāo)注檢查：類型聲明及賦值是否合適

? ? ? ? b.常量折疊：將 1 + 2 直接用3替代

? ? ? ? c.上下文的語法檢測揍庄，如變量使用前是否賦值等

? ? ? ? d.解語法糖咆蒿，為了提升開發(fā)效率，Java提供了許多的語法糖蚂子，比如：泛型沃测、變長參數(shù)、自動(dòng)裝箱等食茎，在此過程中蒂破，會將這些語法糖轉(zhuǎn)為JVM所規(guī)定的格式。具體可以查看Java虛擬機(jī)中相關(guān)語法編譯期的處理

? ? （四）生成字節(jié)碼别渔，生成字節(jié)碼階段主要是兩個(gè)事情：

? ? ? ? a.按照抽象語法樹及符號表生成相應(yīng)的字節(jié)碼

? ? ? ? b.針對Java語言的特點(diǎn)附迷，進(jìn)行些必要的填充惧互，比如：字符串的+轉(zhuǎn)為StringBuilder等

? ? 經(jīng)過上述四個(gè)過程，Java中的編譯期即進(jìn)行完畢了喇伯，可以獲取到.class文件喊儡，如果對.class文件格式感興趣，可以看我之前的文章：https://blog.csdn.net/kcstrong/article/details/79460262

? ? 繼續(xù)分析下Java的運(yùn)行期稻据，先看下運(yùn)行期有什么特點(diǎn)艾猜。首先，運(yùn)行期離Java語言的使用者捻悯，離得較遠(yuǎn)匆赃，運(yùn)行期處理的是字節(jié)碼到機(jī)器碼之間的轉(zhuǎn)換，Java語言的使用者不需要了解這些細(xì)節(jié)今缚，也可以進(jìn)行高效的開發(fā)算柳。理解這些細(xì)節(jié)，以我當(dāng)前的體驗(yàn)姓言，對于開發(fā)者來講埠居，主要是增長知識面，對開發(fā)的影響也不大事期。那運(yùn)行期和什么樣的開發(fā)者關(guān)系較大呢，沒錯(cuò)纸颜，就是虛擬機(jī)開發(fā)人員或者需要優(yōu)化虛擬機(jī)的人員兽泣，比如，服務(wù)器的運(yùn)維人員胁孙。

? ? Java運(yùn)行期的工作并非是固定的唠倦，最基本的，也是最簡單的涮较，當(dāng)然稠鼻，也可以理解為保底的，是使用解釋器將字節(jié)碼轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼狂票，該原理相當(dāng)?shù)那逦鞔_候齿，有以下步驟：

? ? a.按一定的規(guī)則尋找相關(guān)的類，首先闺属，根據(jù)環(huán)境變量找到j(luò)ava類庫的位置慌盯，然后根據(jù)雙親委托模式找到準(zhǔn)確的類位置

? ? b.然后就很簡單了，JVM字節(jié)碼可以直接逐條解釋掂器，只是JVM是基本于棧的指令集亚皂，條數(shù)較多，解釋較為耗時(shí)国瓮。

? ? 另一種Java運(yùn)行期的處理為JIT灭必，是一種Java動(dòng)態(tài)編譯方法狞谱，分為兩種：Client Compiler和Server Compiler

? ??Client Compiler較為簡單快速，其過程用下面一幅圖來說明：

? ?Server Compiler是一個(gè)經(jīng)過充分優(yōu)化的高級編譯器禁漓，包括但不限于：無用代碼擦除跟衅、基本塊重排序等，其技術(shù)極為復(fù)雜璃饱，感興趣的同學(xué)可以查閱專門的資料研究与斤。選用上述那種Compiler進(jìn)行處理，要視環(huán)境的需要而定荚恶。

? ? JIT并非完全取代解釋器撩穿，只是在需要優(yōu)化的高頻方法或高頻模塊（比如多次for循環(huán)）才會介入，其他時(shí)候仍采用的是解釋器的處理方式谒撼。

? ? ?針對Java的源碼到機(jī)器碼的處理食寡，上面提到了兩種編譯運(yùn)行方式分別為：編譯為字節(jié)碼+解釋器、編譯為字節(jié)碼+JIT+解析器廓潜。目前還是另一種方式抵皱，為AOT，一種靜態(tài)編譯方式辩蛋，在編譯期呻畸，即將源碼編譯為機(jī)器碼，其好處也是顯然的悼院，運(yùn)行器無JVM處理時(shí)延伤为，效率最高，但缺點(diǎn)也很明顯：（1）犧牲了Java的跨平臺特性据途，機(jī)器碼一定是平臺相關(guān)的（2）編譯算法復(fù)雜度相當(dāng)高绞愚，JIT在運(yùn)行期，通過運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)收集颖医，制定是否編譯機(jī)器碼位衩，但AOT在編譯期就要收集到這些。

? ??好熔萧，總結(jié)一下糖驴，總共提到的Java的源碼到機(jī)器碼的處理為三種：

? ? ? ? a.編譯為字節(jié)碼+解釋器

? ? ? ? b.編譯為字節(jié)碼+JIT+解析器

? ? ? ? c.AOT直接編譯為機(jī)器碼

? ? Java目前應(yīng)用范圍要大于C/C++，采用那種方式佛致，要看那些場景更為合適遂赠，比如，Android采用的變異后的b方式（編譯后的輸出為dex文件晌杰，運(yùn)行前要將dex文件轉(zhuǎn)化為oat格式跷睦，運(yùn)行時(shí)要處理的格式為oat格式，運(yùn)行時(shí)的指令集為基于寄存器的）

? ? 從上面對C/C++及Java編譯運(yùn)行的分析肋演，可以看出抑诸，編譯的基本原理及流程是相近的烂琴，然后加入了后期的優(yōu)化，尤其是Java蜕乡，為改善編譯及運(yùn)行效率（JIT奸绷、AOT、字節(jié)碼等）层玲，做了大量的工作号醉，至Android虛擬機(jī)（當(dāng)前文中沒細(xì)說），又根據(jù)平臺特點(diǎn)辛块，在Java的基礎(chǔ)上做了大量的改進(jìn)畔派。