注：本文主要記錄自《深入分析java web技術內幕》"第四章 javac編譯原理"

1、javac作用

• 將*.java原始碼檔案轉化為*.class檔案

2、編譯流程

流程：

• 詞法分析器：將原始碼轉換為Token流
  • 將原始碼劃分成一個個Token（Token包含的元素型別看3.2）
• 語法分析器：將Token流轉化為語法樹
  • 將上述的一個個Token組成一句句話（或者說成一句句程式碼塊），檢查這一句句話是不是符合Java語言規範
• 語義分析器：將語法樹轉化為註解語法樹
  • 將複雜的語法轉化成簡單的語法（eg.註解、foreach轉化為for迴圈）並做一些檢查，新增一些程式碼
• 程式碼生成器：將註解語法樹轉化為位元組碼

3、詞法分析

3.1、作用

• 將原始碼轉換為Token流。

3.2、流程

一個位元組一個位元組的讀取原始碼，形成規範化的Token流。規範化的Token包含：

• java關鍵詞：package、import、public、class、int等
• 自定義單詞：包名、類名、變數名、方法名
• 符號：=、;、+、-、*、/、%、{、}等

3.3、示例

程式碼：

1 package compile;
2 
3 /**
4  * 詞法
5  */
6 public class Cifa {
7     int
 
 a;
8     int c = a + 1;
9 }

以上程式碼轉化為的Token流：

說明：完成以上示例的是JavacParser的parseCompilationUnit()方法，原始碼見文章開頭的書籍。

注意：上邊的token流符合java語言規範。

3.4、疑問

• 怎樣判斷package是java關鍵詞還是自定義變數？
  • JavacParser會根據java語言規範來控制什麼順序、什麼地方出現什麼Token（這個檢視parseCompilationUnit()原始碼就知道了），所以package在檔案的最開頭出現，我們會知道是一個Token.PACKAGE型別，而非自定義的Token.IDENTIFIER型別。
  • 一條實踐：在編寫程式的時候，不要用java關鍵詞來定義變數名、類名、包名、方法名，而是採取一定有意義的單詞來定義，當然，你再eclipse中編寫程式碼的時候，如果使用了java關鍵詞來定義變數，eclipse會提醒你這是一個錯誤的定義。
• 怎樣確定package是一個Token，而packa不是？
  • 我的理解是，主要看空格和符號（符號見3.2），對於package是一個單詞，中間沒有空格也沒有符號，所以是一個Token
  • 一條實踐：在編寫程式碼時，例如：int a = b + c;//a與=中間有一個空格、=與b之間有一個空格、b與+之間有一個空格、+與c之間有一個空格，當然，這裡沒有空格也行，因為每一個變數之間正好都是由符號來隔開的，但是之前看了一個視訊說，如果上邊這句話沒有這些空格的話，可能編譯不通過，所以我們最好還是加上空格，當然加上空格後顯得整個程式碼也清晰。

4、語法分析

4.1、作用

• 將進行詞法分析後形成的Token流中的一個個Token組成一句句話，檢查這一句句話是不是符合Java語言規範。

4.2、語法分析三部分：

• package
• import
• 類（包含class、interface、enum），一下提到的類泛指這三類，並不單單是指class

4.3、示例

程式碼：

 1 package compile;
 2 
 3 /**
 4  * 語法
 5  */
 6 public class Yufa {
 7     int a;
 8     private int c = a + 1;
 9     
10     //getter
11     public int getC() {
12         return c;
13     }
14     //setter
15     public void setC(int c) {
16         this.c = c;
17     }
18 }

最終語法樹：

說明：

• 每一個包package下的所有類都會放在一個JCCompilationUnit節點下，在該節點下包含：package語法樹（作為pid）、各個類的語法樹
• 每一個從JCClassDecl發出的分支都是一個完整的程式碼塊，上述是四個分支，對應我們程式碼中的兩行屬性操作語句和兩個方法塊程式碼塊，這樣其實就完成了語法分析器的作用：將一個個Token單片語成了一句句話（或者說成一句句程式碼塊）
• 在上述的語法樹部分，對於屬性操作部分是完整的，但是對於兩個方法塊，省略了一些語法節點，例如：方法修飾符public、方法返回型別、方法引數。

疑問：

import節點的語法樹與package的相似，但是import語法樹放在了哪一個地方？

5、語義分析

5.1、作用

• 將語法樹轉化為註解語法樹

5.2、步驟

• 新增預設的無參構造器（在沒有指定任何有參構造器的情況下）
• 處理註解
• 標註：檢查語義合法性、進行邏輯判斷
  • 檢查語法樹中的變數型別是否匹配（eg.String s = 1 + 2;//這樣"="兩端的型別就不匹配）
  • 檢查變數、方法或者類的訪問是否合法（eg.一個類無法訪問另一個類的private方法）
  • 變數在使用前是否已經宣告、是否初始化
  • 常量摺疊（eg.程式碼中：String s = "hello" + "world"，語義分析後String s = "helloworld"）
  • 推導泛型方法的引數型別
• 資料流分析
  • 變數的確定性賦值（eg.有返回值的方法必須確定有返回值）
  • final變數只能賦一次值，在編譯的時候再賦值的話會報錯
  • 所有的檢查型異常是否丟擲或捕獲
  • 所有的語句都要被執行到（return後邊的語句就不會被執行到，除了finally塊兒）
• 進一步語義分析
  • 去掉永假程式碼（eg.if(false)）
  • 變數自動轉換（eg.int和Integer）
  • 去掉語法糖（eg.foreach轉化為for迴圈，assert轉化為if，內部類解析成一個與外部類相關聯的外部類）
• 最後，將經過上述處理的語法樹轉化為最後的註解語法樹

6、生成位元組碼

6.1、作用

• 將註解語法樹轉化成位元組碼，並將位元組碼寫入*.class檔案。

6.2、步驟

• 將java的程式碼塊轉化為符合JVM語法的命令形式，這就是位元組碼
• 按照JVM的檔案組織格式將位元組碼輸出到*.class檔案中

具體的原始碼與步驟檢視com.sun.tools.javac.jvm.Gen類與《分散式Java應用：基礎與實踐》P42

6.3、class檔案包含的內容

在生成的*.class檔案中不只包含位元組碼資訊，具體包含：

• 結構資訊
  • class檔案格式版本號
  • 各部分的數量與大小
• 元資料
  • 類、父類、實現介面的宣告資訊
  • 屬性宣告資訊
  • 方法宣告資訊
  • 常量池
• 方法資訊
  • 位元組碼
  • 異常處理器表
  • 區域性變數區的大小
  • 運算元棧的大小
  • 運算元棧的型別記錄
  • 除錯用符號資訊

這裡提到的區域性變數區和運算元棧組成了了方法棧，可以參看第一章 JVM記憶體結構

總結：

對於編譯這一塊兒，我們在實際操作中不會直接去操作這些程式碼，不像類載入器機制，我們可能需要自己編寫類載入工具，也不像Java記憶體管理那樣，我們會直接在伺服器配置堆疊方法區空間、配置GC收集器等，但是瞭解javac編譯，對於我們瞭解以後的類檔案結構、類載入機制有一定的幫助，也有利於我們掌握整個Java程式碼的執行流程，對於我們瞭解編譯期間編譯器做的一些檢查工作也有很大幫助，瞭解這些檢查工作有利於我們在寫程式碼的時候更加小心，例如，檢查型異常都需要捕獲或丟擲，每一條語句都要被執行到（即可達）等。雖然，這些工作eclipse會在我們寫程式碼的時候為我們自動去檢查，包括檢查語句是否可達，但是瞭解這些還是有好處的。