Java编译期和运行期 & JVM

Posted 2020-11-05 qinhao517

 Java整个编译以及运行的过程相当繁琐，本文通过一个简单的程序来简单的说明整个流程。      

首先两张图，描述编译和执行的过程：

 

Java代码编译是由Java源码编译器来完成，流程图如下所示：

Java字节码的执行是由JVM执行引擎来完成，流程图如下所示：

 

          如下图，Java程序从源文件创建到程序运行要经过两大步骤：1、源文件由编译器编译成字节码（ByteCode）  2、字节码由java虚拟机解释运行。因为java程序既要编译同时也要经过JVM的解释运行，所以说Java被称为半解释语言（ "semi-interpreted" language）。

图1   java程序编译运行过程

 

        下面通过以下这个java程序，来说明java程序从编译到最后运行的整个流程。代码如下：

 

Java代码  

1. //MainApp.java  
2. public class MainApp {  
3.     public static void main(String[] args) {  
4.         Animal animal = new Animal("Puppy");  
5.         animal.printName();  
6.     }  
7. }  
8. //Animal.java  
9. public class Animal {  
10.     public String name;  
11.     public Animal(String name) {  
12.         this.name = name;  
13.     }  
14.     public void printName() {  
15.         System.out.println("Animal ["+name+"]");  
16.     }  
17. }  

 

        第一步(编译): 创建完源文件之后，程序会先被编译为.class文件。Java编译一个类时，如果这个类所依赖的类还没有被编译，编译器就会先编译这个被依赖的类，然后引用，否则直接引用，这个有点象make。如果java编译器在指定目录下找不到该类所其依赖的类的.class文件或者.java源文件的话，编译器话报“cant find symbol”的错误。

        编译后的字节码文件格式主要分为两部分：常量池和方法字节码。常量池记录的是代码出现过的所有token(类名，成员变量名等等)以及符号引用（方法引用，成员变量引用等等）；方法字节码放的是类中各个方法的字节码。下面是MainApp.class通过反汇编的结果，我们可以清楚看到.class文件的结构：

图2  MainApp类常量池  

图3  MainApp类方法字节码

         

最后生成的class文件由以下部分组成：

• 结构信息。包括class文件格式版本号及各部分的数量与大小的信息
• 元数据。对应于Java源码中声明与常量的信息。包含类/继承的超类/实现的接口的声明信息、域与方法声明信息和常量池
• 方法信息。对应Java源码中语句和表达式对应的信息。包含字节码、异常处理器表、求值栈与局部变量区大小、求值栈的类型记录、调试符号信息

　　第二步（运行）：java类运行的过程大概可分为两个过程：1、类的加载  2、类的执行。需要说明的是：JVM主要在程序第一次主动使用类的时候，才会去加载该类。也就是说，JVM并不是在一开始就把一个程序就所有的类都加载到内存中，而是到不得不用的时候才把它加载进来，而且只加载一次。

        下面是程序运行的详细步骤：

1. 在编译好java程序得到MainApp.class文件后，在命令行上敲java AppMain。系统就会启动一个jvm进程，jvm进程从classpath路径中找到一个名为AppMain.class的二进制文件，将MainApp的类信息加载到运行时数据区的方法区内，这个过程叫做MainApp类的加载。
2. 然后JVM找到AppMain的主函数入口，开始执行main函数。
3. main函数的第一条命令是Animal  animal = new Animal("Puppy");就是让JVM创建一个Animal对象，但是这时候方法区中没有Animal类的信息，所以JVM马上加载Animal类，把Animal类的类型信息放到方法区中。
4. 加载完Animal类之后，Java虚拟机做的第一件事情就是在堆区中为一个新的Animal实例分配内存, 然后调用构造函数初始化Animal实例，这个Animal实例持有着指向方法区的Animal类的类型信息（其中包含有方法表，java动态绑定的底层实现）的引用。
5. 当使用animal.printName()的时候，JVM根据animal引用找到Animal对象，然后根据Animal对象持有的引用定位到方法区中Animal类的类型信息的方法表，获得printName()函数的字节码的地址。
6. 开始运行printName()函数。

 图4   java程序运行过程

特别说明：java类中所有public和protected的实例方法都采用动态绑定机制，所有私有方法、静态方法、构造器及初始化方法<clinit>都是采用静态绑定机制。而使用动态绑定机制的时候会用到方法表，静态绑定时并不会用到。

Ps:

 方法重载：这个是发生在编译时的。方法重载也被称为编译时多态，因为编译器可以根据参数的类型来选择使用哪个方法。

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public class {      public static void evaluate(String param1);  // method #1      public static void evaluate(int param1);   // method #2 }

如果编译器要编译下面的语句的话：

1	evaluate(“My Test Argument passed to param1”);

它会根据传入的参数是字符串常量，生成调用#1方法的字节码

 

方法覆盖：这个是在运行时发生的。方法重载被称为运行时多态，因为在编译期编译器不知道并且没法知道该去调用哪个方法。JVM会在代码运行的时候做出决定。

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public class A {    public int compute(int input) {          //method #3         return 3 * input;    }        }   public class B extends A {    @Override    public int compute(int input) {          //method #4         return 4 * input;    }        }

子类B中的compute(..)方法重写了父类的compute(..)方法。如果编译器遇到下面的代码：

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public int evaluate(A reference, int arg2)  {      int result = reference.compute(arg2); }

编译器是没法知道传入的参数reference的类型是A还是B。因此，只能够在运行时，根据赋给输入变量“reference”的对象的类型（例如，A或者B的实例）来决定调用方法#3还是方法#4.