Java底层-Javac编译器

Posted 2021-04-26 每天学Java

非机器语言编写的程序是无法直接被机器执行，所以需要一个具有"翻译"功能的程序来将源代码翻译成可执行的语言程序，而Java语言中javac就充当翻译官的角色，将翻译后的语言交给JVM进行处理。

我们初学Java的时候，通常都会接触过这样一个命令:

javac XX.java

当我们执行这个命令后，就会得到一个class文件，这一步其实就是编译，在我们提及到Java不同于C/C++，它首先需要将Java文件编译成class文件， 然后再由JVM将二进制文件代码转为与机器适配的机器码，而java文件编译成class文件就是由Javac编译器来完成。通常我们也叫Javac编译器为前端编译器，因为一个传统编译器编译结果是由源码到本地机器码的一个过程，而由于Javac编译器只负责源码到字节码这一步，所以叫前端编译器；字节码到本地机器码这一步是由后端运行时编译器来完成的，比如HotSpot VM中的C1、C2编译器。此外对于程序的优化也主要集中在后端运行时编译，这样可以使非Javac编译器产生Class文件(Scala，Groovy等语言的Class文件)也能享受到编译器优化的好处。

这一节主要来看Javac编译器，关于后端运行时编译器大家可以参考下之前写的的文章：，这篇文章是很早以前看深入理解Java虚拟机书籍时候写的，后面可能会重新再整理一篇。

Javac编译是使用Java语言实现的，是不是很疑惑，用Java语言编写一个javac编译器去编译Java，那Javac的源码又是如何被编译执行的呢(好像鸡生蛋还是蛋生鸡的问题)？ 在我们提及到，汇编，C/C++在机器上都是无法直接运行的，需要使用运行编译器进行编译，而如果编译器不是使用机器语言实现肯定无法直接执行的， 所以最开始的编译器应该是使用0、1代码实现的，不用编译就可以运行，但是如是0、1串完整实现一门语言的编译工作可能非常复杂，通常采用的的方案是使用0、1串实现一个简单编译器A，然后利用编译器A写一个稍微复杂一些的编译器B， 最终得到我们所需要的编译器，比如汇编语言的编译器，这个过程叫做"自展"，自展的过程是编译器不断扩展完善的过程。

而使用编译器被编译的语言来编写本编译器(比如Javac编译器)，这叫做编译器的"自举"，但是自举并不是一步完成的，它需要借助于其他语言的编译器，最开始的java编译器使用C语言实现(C写了一个Oak编译器，而C最开始的编译器是汇编实现)，而后用这款编译器编译一个Java实现Java编译器， 而后再次用这个Java编译器编写更加优秀的Java编译器，通过不断的自举最终得到我们知道的javac的编译器。编译器自举一般都是编译器开发的一个里程碑事件， 因为自举意味着被编译的语言荣升成自编译语言，而且编译器拥有自举能力对实现语言的语法语义本身没有限制(可参考编译原理一书)。

到这里我们知道javac编译器是如何而来的，那么我们程序中能不能使用javac编译器呢？答案是肯定的。如果你使用Java实现过的动态编译功能，那么对于JavaCompiler接口肯定不陌生，JavaCompiler接口是Java SE6中为我们提供了标准的包来操作Java编译器， 而在JDK6之前，我们如果想操作编译器就需要通过tools.jar中的com.sun.tools.javac包来调用Java编译器，在这个包的根目录提供了主类完成编译的功能，也就是我们是使用javac命令所执行的程序， 但是由于tools.jar不是标准的Java库，使用时需要设置这个jar的路径， 所以在1.6中提供javax.tools包，但其内部核心仍然是使用tools.javac包的api，大家可以研究一下ToolProvider类。

而Javac编译器具体的编译过程可以分为两大步骤(具体可看com.sun.tools.javac.main.JavaCompiler类源码)：解析与填充符号表，语义分析及字节码生成。

具体流程:

词法分析器：将源码转换为Token流 将源代码划分成一个个Token(找出java语言中的if，else，for等关键字)

语法分析器：将Token流转化为语法树 将上述的一个个Token组成一句句话（或者说成一句句代码块），检查这一句句话是不是符合Java语言规范(如if后面跟的是不是布尔判断表达式)

语义分析器：将语法树转化为注解语法树 将复杂的语法转化成简单的语法（eg.注解、foreach转化为for循环、去掉永不会用到的代码块）并做一些检查，添加一些代码(默认构造器)

代码生成器：将注解语法树转化为字节码(即将一个数据结构转化成另一个数据结构)

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这里对于javac编译器做一个简单叙述，感兴趣可以通过OpenJDK来下载源码，然后自己编译javac的源码， 也可以通过调用jdk的com.sun.tools.javac.main.Main类来手动编译指定的类