【深入Java虛擬機器】之十早期（編譯期）優化
轉自：https://blog.csdn.net/tjiyu/article/details/53786262
Java編譯（二）Java前端編譯：
Java原始碼編譯成Class檔案的過程
在上篇文章《Java三種編譯方式：前端編譯 JIT編譯 AOT編譯》中瞭解到了它們各有什麼優點和缺點，以及前端編譯+JIT編譯方式的運作過程。
下面我們詳細瞭解Java前端編譯：Java原始碼編譯成Class檔案的過程；我們從官方JDK提供的前端編譯器javac入手，用javac編譯一些測試程式，除錯跟蹤javac原始碼，看看javac整個編譯過程是如何實現的。
1、javac編譯器
1-1、javac原始碼與除錯
javac編譯器是官方JDK中提供的前端編譯器，JDK/bin目錄下的javac只是一個與平臺相關的呼叫入口，具體實現在JDK/lib目錄下的tools.jar。此外，JDK6開始提供在執行時進行前端編譯，預設也是呼叫到javac，如圖：
javac是由Java語言編寫的，而HotSpot虛擬機器則是由C++語言編寫；標準JDK中並沒有提供javac的原始碼，而在OpenJDK中的提供；我們需要在Eclipse中除錯跟蹤javac原始碼，看整個編譯過程是如何實現的。
javac編譯器原始碼下載（JDK8）：http://hg.openjdk.java.net/jdk8u/jdk8u-dev/langtools/archive/tip.tar.bz2
javac編譯器原始碼目錄：**\src\share\classes\com\sun\tools\javac
在Eclipse新建工程匯入後，可以看到javac原始碼的目錄結構如下：
javac編譯器程式入口：com.sun.tools.javac.Main類中的main()方法；
執行javac程式，先是解析命令列引數，由com.sun.tools.javac.main.Main.compile()方法處理，程式碼片段如下：
因為沒有給引數，可看到輸出的是javac用法，如下：
這就是平時我們用JDK/bin/javac的用法，更多javac選項用法請參考：http://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/unix/javac.html
除錯編譯檔案，需要右鍵工程 -> Debug As -> Debug Configurations ->切換到Arguments選項卡，在Program arguments中輸入我們要用javac編譯的Java程式檔案的路徑即可；然後就可以打斷點Debug執行除錯了，如圖：
1-2、javac編譯過程
JVM規範定義了Class檔案結構格式，但沒有定義如何從java程式檔案轉化為Class檔案，所以不同編譯器可以有不同實現。
從javac編譯器原始碼來看，其編譯過程可以分為3個子過程：
1、解析與填充符號表過程：解析主要包括詞法分析和語法分析兩個過程；
2、插入式註解處理器的註解處理過程；
3、語義分析與位元組碼的生成過程；
如圖所示（來自參考4）：
javac編譯動作入口： com.sun.tools.javac.main.JavaCompiler類；
3個編譯過程邏輯集中在這個類的compile()和compile2()方法；
如圖所示：
1-3、javac中的訪問者模式
訪問者模式可以將資料結構和對資料結構的操作解耦，使得增加對資料結構的操作不需要修改資料結構，也不必修改原有的操作，而執行時再定義新的Visitor實現者就行了。
Javac經過第一步解析（詞法分析和語法分析），會生成用來一棵描述程式程式碼語法結構的抽象語法樹，每個節點都代表程式程式碼中的一個語法結構，包括：包、型別、修飾符、運算子、介面、返回值、甚至註釋等；而後的不同編譯階段都定義了不同的訪問者去處理該語法樹（節點）。
瞭解這些更容易理解javac的編譯過程實現，而後面分析過程中會再對訪問者模式的實現作相關說明。
2、解析與填充符號表
2-1、解析：詞法、語法分析
解析包括：詞法分析和語法分析兩個過程；
2-1-1、詞法分析
1、概念解理
詞法分析是將原始碼的字元流轉變為標記（Token）集合；
標記：
標記是編譯過程的最小元素；
包括關鍵字、變數名、字面量、運算子（甚至一個"."）等；
2、原始碼分析：
由com.sun.tools.javac.parser.Scanner類實現對外部提供服務；
由com.sun.tools.javac.parser.JavaTokenizer類實現具體的Token分析動作（JavaTokenizer.readToken()方法）；
Scanner.nextToken()呼叫JavaTokenizer.readToken()方法讀取下一個Token；
返回com.sun.tools.javac.parser.Tokens.Token類例項表示的一個Token；
Scanner.nextToken()方法如下：
注意，下面語法分析時才會不斷呼叫Scanner.nextToken()讀取一個個Token進來解析。
2-1-2、語法分析
1、概念解理
語法分析是根據Token序列構造抽象語法樹的過程；
抽象語法樹（Abstract Syntax Tree,AST）：
是一種用來描述程式程式碼語法結構的樹形表示方式；
每個節點都代表程式程式碼中的一個語法結構；
語法結構（Construct）包括：包、型別、修飾符、運算子、介面、返回值、甚至註釋等；
2、原始碼分析：
由com.sun.tools.javac.parser.JavacParser類完成整個過程，該類實現com.sun.tools.javac.parser.Parser介面；
一個類檔案解析產生的抽象語法樹的所有內容儲存在JCCompilationUnit類例項裡，JCCompilationUnit類是由com.sun.tools.javac.tree.JCTree類擴充套件；
JCTree是個抽象類，實現了Tree介面，Tree接口裡有一個"<R,D> R accept(TreeVisitor<R,D> visitor, D data)"方法用來接收訪問者，所以Tree介面是訪問者模式中的抽象節點元素；
JCTree類中有一個Visitor內部類，同時也是一個抽象類，作為訪問者模式中的抽象訪問者；
一個JCTree類例項相當於抽象語法樹的一個節點，它會擴充套件許多型別，對應不同語法結構型別的樹節點，如JCStatement，JCClassDecl，JCMethodDecl，JCBlock等等，這些類是訪問者模式中的具體節點元素；
JCTree擴充套件的JCMethodDecl方法型別節點結構如下：
程式碼執行的解析過程，如下：
1）、由JavaCompiler.compile()方法呼叫JavaCompiler.parseFiles()方法完成引數輸入的所有檔案的編譯；
2）、JavaCompiler.parseFiles()方法中又呼叫本類中的parse()方法對其中一個檔案進行編譯；
該方法中生成JavacParser類例項，然後呼叫該例項的parseCompilationUnit()方法開始進行整個檔案的解析（包括"package"包名），如下：
- Parser parser = parserFactory.newParser(content, keepComments(), genEndPos, lineDebugInfo);
- tree = parser.parseCompilationUnit();
返回的tree是JCCompilationUnit型別例項，儲存了一個類檔案解析產生的抽象語法樹的所有內容，也可以說是抽象語法樹的根節點；
3）、JavacParser.parseCompilationUnit()方法中呼叫JavacParser.typeDeclaration()進行檔案中所有型別定義的解析；
JavacParser.typeDeclaration()又呼叫JavacParser.classOrInterfaceOrEnumDeclaration（）進行類或介面的解析；
如果是類又呼叫classDeclaration()對該類進行解析....
JCTree def = typeDeclaration(mods, docComment);返回一個JCTree類例項表示檔案中所有型別定義定義的語法樹（不包括"package"包名）；
這期間會不斷呼叫Scanner.nextToken()讀取一個個Token進來解析；
3、編譯測試：
下面我們用javac編譯JavacTest.java檔案來跟蹤整個解析過程，測試檔案程式碼如下：
- package com.jvmtest;
- public class JavacTest {
- private int i;
- public int getI() {
- return i;
- }
- public void setI(int i) {
- this.i = i;
- }
- }
對於解析JavacTest.java檔案生成的抽象語法樹，由返回的JCCompilationUnit類例項表示，如下圖所示：
最外層節點為"com.jvmtest"包名的定義，同時它也是語法樹的根節點；
再裡一層是"public class JavacTest"類的定義；
再裡面可以看到一個欄位變數"i"的結構節點，以及兩個方法"getI"和"setI"節點；
4、類例項建構函式重名為<init>()：
先在再上面的測試程式中加入類例項建構函式：
- Public JavacTest() {
- }
需要注意的是，在classOrInterfaceBodyDeclaration()解析類時，如果遇到新增的類建構函式，會重名為<init>()，如下：
如測試程式中加入類建構函式，可以看到被重新命名<init>()，但在生成的樹結構上名稱還是表現為"JavacTest"，如下
經過上面解析，後續所有操作都建立在抽象語法樹之上，下面不會再對原始碼檔案操作；
2-2、填充符號表
1、概念解理
符號表（Symbol Table）是由一組符號地址和符號資訊構成的表格，可以想象成雜湊表中K-V值的形式；
符號表登記的資訊在編譯的不同階段都要用到，如：
1）、用於語義檢查和產生中間程式碼；
2）、在目的碼生成階段，符號表是對符號名進行地址分配的依據；
2、原始碼分析：
根據上一步生成的抽象語法樹列表，由JavaCompiler.enterTrees()方法完成填充符號表；
由com.sun.tools.javac.comp.Enter類實現填充符號表動作，Enter類繼承JCTree.Visitor內部抽象類，重寫了一些visit**()方法來處理抽象語法樹，作為訪問者模式中的具體訪問者；
符號由com.sun.tools.javac.code.Symbol抽象類表示， 實現了Element介面，Element接口裡有一個accept()方法用來接收訪問者，所以Element介面是訪問者模式中的抽象節點元素；
Symbol類擴充套件成多種型別的符號，如ClassSymbol表示類的符號、MethodSymbol表示方法的符號等等，這些類是訪問者模式中的具體節點元素；
Symbol類和MethodSymbol類定義如下：
- public abstract class Symbol extends AnnoConstruct implements Element {
- /** The kind of this symbol.
- * @see Kinds
- */
- public int kind;
- /** The flags of this symbol.
- */
- public long flags_field;
- /** An accessor method for the flags of this symbol.
- * Flags of class symbols should be accessed through the accessor
- * method to make sure that the class symbol is loaded.
- */
- public long flags() { return flags_field; }
- /** The name of this symbol in Utf8 representation.
- */
- public Name name;
- /** The type of this symbol.
- */
- public Type type;
- /** The owner of this symbol.
- */
- public Symbol owner;
- /** The completer of this symbol.
- */
- public Completer completer;
- /** A cache for the type erasure of this symbol.
- */
- public Type erasure_field;
- // <editor-fold defaultstate="collapsed" desc="annotations">
- /** The attributes of this symbol are contained in this
- * SymbolMetadata. The SymbolMetadata instance is NOT immutable.
- */
- protected SymbolMetadata metadata;
- ......
- }
- /** A class for method symbols.
- */
- public static class MethodSymbol extends Symbol implements ExecutableElement {
- /** The code of the method. */
- public Code code = null;
- /** The extra (synthetic/mandated) parameters of the method. */
- public List<VarSymbol> extraParams = List.nil();
- /** The captured local variables in an anonymous class */
- public List<VarSymbol> capturedLocals = List.nil();
- /** The parameters of the method. */
- public List<VarSymbol> params = null;
- /** The names of the parameters */
- public List<Name> savedParameterNames;
- /** For an attribute field accessor, its default value if any.
- * The value is null if none appeared in the method
- * declaration.
- */
- public Attribute defaultValue = null;
- ......
- }
從上面可以看到它們包含了哪些資訊；
程式碼執行的填充過程，如下：
1）、JavaCompiler.enterTrees()方法呼叫Enter.main()方法；
根據上一步生成的抽象語法樹列表完成填充符號表，返回填充了類中所有符號的抽象語法樹列表；
2）、Enter.main()方法呼叫中本類的complete()方法；
complete()方法先呼叫Enter.classEnter()方法完成填充包符號、類符號以及匯入資訊等；
3）、接著complete()方法還會不斷呼叫前面生成的每個類的類符號例項的ClassSymbol.complete()方法；
ClassSymbol.complete()方法會呼叫到MemberEnter.complete()，以完成整個類的填充符號表；
4、MemberEnter.complete()中會新增類的預設建構函式（如果沒有任何的）；
還會呼叫 MemberEnter.finish()方法完成對類中欄位和方法符號的填充；
等等（其實先處理註解資訊）...
注意，EnterTrees()方法最終完成返回一個待處理列表（"todo" list），其實該列表還是抽象語法樹列表，符號只是填充到上一步生成的抽象語法樹列表中；可以從上面語法分析給出的JCMethodDecl類中看到有一個MethodSymbol類的成員變數；
3、編譯測試
還用上面的JavacTest.java檔案測試，其中getI()方法的符號如下（顯示符號名稱）：
測試JavacTest.java檔案填充符號表的前後，抽象語法樹列表變化（紅色）如下：
4、計算方法的特徵簽名
其實MethodSymbol方法符號中的MethodType型別的type成員就是其特徵簽名；
在.MemberEnter.visitMethodDef(JCMethodDecl tree)中填充方法符號的時候計算特徵簽名，如下：
- public void visitMethodDef(JCMethodDecl tree) {
- ......
- MethodSymbol m = new MethodSymbol( 0, tree.name, null, enclScope.owner);
- ......
- // Compute the method type
- m.type = signature(m, tree.typarams, tree.params,
- tree.restype, tree.recvparam,
- tree.thrown,
- localEnv);
- ......
- }
MethodType如下：
- public static class MethodType extends Type implements ExecutableType {
- public List<Type> argtypes;
- public Type restype;
- public List<Type> thrown;
- /** The type annotations on the method receiver.
- */
- public Type recvtype;
- public MethodType(List<Type> argtypes,
- Type restype,