摘要：字節(jié)碼生成把語法樹定義的抽象的語法結(jié)構(gòu)按照二進(jìn)制字節(jié)碼的規(guī)則排布成字節(jié)碼，最終我們可以看到滿足虛擬機(jī)運(yùn)行要求的二進(jìn)制字節(jié)碼被轉(zhuǎn)換出來。上面的過程完成后，命令扮演的編譯器就將源代碼轉(zhuǎn)成了結(jié)構(gòu)化的二進(jìn)制字節(jié)碼。

這篇文章的素材來自周志明的《深入理解Java虛擬機(jī)》。

作為Java開發(fā)人員，一定程度了解JVM虛擬機(jī)的的運(yùn)作方式非常重要，本文就一些簡單的虛擬機(jī)的相關(guān)概念和運(yùn)作機(jī)制展開我自己的學(xué)習(xí)過程，是這個(gè)系列的第四篇。

我們討論完了字節(jié)碼的結(jié)構(gòu)和活化字節(jié)碼在執(zhí)行引擎下的執(zhí)行之后要回到字節(jié)碼的原點(diǎn)：java的字節(jié)碼是怎么形成的呢？

我們這里討論的僅僅是從程序員編寫的java源代碼的編譯得到的字節(jié)碼，但是要知道的事，字節(jié)碼不僅僅可以從源文件編譯生成，字節(jié)碼可以通過直接用二進(jìn)制的字節(jié)拼接產(chǎn)生，這個(gè)拼接的起點(diǎn)除了間接通過編譯期生成，也可以通過直接寫進(jìn)內(nèi)存，比如通過動態(tài)代理構(gòu)造的臨時(shí)代理類就是通過直接寫入內(nèi)存的二進(jìn)制字節(jié)碼形成的，再比如jsp通過jsp轉(zhuǎn)換器可以轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)對應(yīng)的請求處理類，等等。總之，我們在這里討論的僅僅是通過編譯期將靜態(tài)的java源代碼文件編譯成二進(jìn)制字節(jié)碼。

使用javac編寫的java命令是編譯過程的執(zhí)行者，這個(gè)命令的使命就是把java源文件轉(zhuǎn)換成為java二進(jìn)制字節(jié)碼，javac完成這一使命的步驟主要包括如下的子過程：

解析與填充符號表

插入式注解處理器的注解處理過程

分析與字節(jié)碼生成

這個(gè)過程的詳細(xì)數(shù)據(jù)流和控制流如下：

這些過程的目的和一般的傳統(tǒng)的編譯過程類似，因?yàn)楹蛡鹘y(tǒng)編譯過程的源文件到機(jī)器代碼的目的相比，java源代碼到虛擬機(jī)二進(jìn)制字節(jié)碼的編譯過程只是最終運(yùn)行的平臺是虛擬機(jī)，除此之外大致是一樣的處理辦法。

這個(gè)過程是以源代碼為輸入流，詞法分析器和語法分析器為控制器，抽象語法樹為輸出流，最終生成的語法樹是一個(gè)以各種語法節(jié)點(diǎn)（接口、包等）為頂層節(jié)點(diǎn)的樹結(jié)構(gòu)，詞法分析器對輸入流轉(zhuǎn)換成詞法元單位Token的序列，語法分析器對Token序列進(jìn)行分析得到最終的語法樹，順著這個(gè)語法樹的各個(gè)頂層節(jié)點(diǎn)，可以找到程序中所有的變量、方法甚至是注釋的各種信息。語法樹是后期語義分析的基礎(chǔ)。
一個(gè)語法樹的實(shí)例：

在解析過后會分析生成的語法樹中的各類符號，包括程序中的各類符號的信息都將存儲在這個(gè)符號表里。在經(jīng)歷完這一步之后符號表將成為一個(gè)包含了語法樹頂層節(jié)點(diǎn)的表，順著這個(gè)表可以分類地尋到每個(gè)符號的信息。

在引入注解之后加入了對插入式注解處理器的編譯過程，注解是形如”@XX”的語法結(jié)構(gòu)，這個(gè)語法結(jié)構(gòu)的目的當(dāng)然不是簡單的標(biāo)記，而是對應(yīng)到了一個(gè)對應(yīng)的注解處理器之上，注解完成的任務(wù)是注解處理器定義的，因此在這個(gè)過程里注解處理器定義的任務(wù)將會以修改語法樹的方式起作用。每次處理一個(gè)注解后都可能會改變語法樹的結(jié)構(gòu)，然后再啟用符號表的填充，這個(gè)循環(huán)（round）將會是一次小規(guī)模的重建語法樹和符號表，當(dāng)掃描完所有的注解后語法樹的結(jié)構(gòu)在這個(gè)階段將會穩(wěn)定下來，然后給出一個(gè)為下面過程提供信息的To do List。實(shí)際上注解處理過程是程序員在編譯過程中控制程序的很少的機(jī)會，因?yàn)槠渌^程大都是是編譯器以無人為控制（沒有程序員編寫程序的指導(dǎo)）的情況下的處理。

能通過詞法語法分析并不意味著語義上是成立的，因此這個(gè)過程是處理語義的過程，語義分析器通過對符號表索引的語法樹的分析，對程序表達(dá)的語義進(jìn)行分析。它包括幾個(gè)字過程：

標(biāo)注檢查：主要是類型對應(yīng)變量聲明以及常量折疊的檢查；

數(shù)據(jù)控制流檢查：對程序上下文邏輯的檢驗(yàn)，包括局部變量賦值、返回值和異常處理等；

解語法糖：語法糖是程序員友好的語法規(guī)則，這些友好的規(guī)則還是要在這個(gè)過程中解開成為真正需要表達(dá)的意思的（裝箱拆箱、泛型、遍歷循環(huán)等的語法都會在底層替換稱為“復(fù)雜”的實(shí)現(xiàn)）。

把語法樹定義的抽象的語法結(jié)構(gòu)按照class二進(jìn)制字節(jié)碼的規(guī)則排布成class字節(jié)碼，最終我們可以看到滿足虛擬機(jī)運(yùn)行要求的二進(jìn)制字節(jié)碼被轉(zhuǎn)換出來。在這個(gè)過程中還會有特定的代碼添加和初級的優(yōu)化，比如默認(rèn)的類構(gòu)造器()和實(shí)例構(gòu)造器()。

注意不是構(gòu)造函數(shù)，構(gòu)造函數(shù)是在填充符號表的階段完成的，構(gòu)造函數(shù)用于完成new操作，而構(gòu)造器是在內(nèi)存中構(gòu)造出該類的基本結(jié)構(gòu)，而構(gòu)造函數(shù)是語法層級較高的操作，同時(shí)還會將靜態(tài)代碼塊static{}加入類構(gòu)造器，將構(gòu)造代碼塊{}加入到實(shí)例構(gòu)造器中，包括實(shí)例變量和類變量的初始化、父類構(gòu)造器的調(diào)用等過程都會加入到構(gòu)造器中去。

上面的過程完成后，javac命令扮演的編譯器就將源代碼轉(zhuǎn)成了結(jié)構(gòu)化的二進(jìn)制字節(jié)碼。

字節(jié)碼的運(yùn)行過程我們在第三篇的時(shí)候已經(jīng)解釋過了：

Java虛擬機(jī) ：Java字節(jié)碼指令的執(zhí)行

當(dāng)時(shí)我們看到的是逐一把二進(jìn)制命令執(zhí)行，也就是說執(zhí)行引擎每取一條二進(jìn)制指令就執(zhí)行一次，這種執(zhí)行方式稱為解釋執(zhí)行（interpreted mode），我們其實(shí)可以看出解釋執(zhí)行的優(yōu)點(diǎn)在于每次執(zhí)行的時(shí)候都會確知當(dāng)前程序的狀態(tài)，但是每次執(zhí)行都要從方法區(qū)里取命令，然后再能夠在堆棧中執(zhí)行操作，每次都去取指令無疑是會減慢執(zhí)行速度的，即便把馬上要執(zhí)行的命令置于高速緩沖上。

基于這個(gè)弱點(diǎn)就有了另一種執(zhí)行模式，編譯模式（compiled mode），這個(gè)模式中非常重要的參與者就是JIT即時(shí)編譯器（Just Intime），編譯模式的原理其實(shí)就像是C一樣的編譯型語言一樣把源代碼直接編譯成機(jī)器語言然后一口氣運(yùn)行完，省去了每次取指令的時(shí)間（只不過C是直接把源代碼編譯成機(jī)器碼，而java是把二進(jìn)制字節(jié)碼通過虛擬機(jī)的JIT即時(shí)編譯器編成本地機(jī)器碼）。

JIT觸發(fā)的條件：

不是所有的代碼被以編譯模式執(zhí)行都是好的，因?yàn)镴IT編譯本身也是費(fèi)時(shí)的，所以必須在非常有必要進(jìn)行編譯的部分才應(yīng)該去編譯，這些地方就是需要反復(fù)使用的部分，因?yàn)榉磸?fù)使用的部分是需要進(jìn)行進(jìn)行最大化優(yōu)化的，而只用幾次的代碼可能使用的時(shí)間還不及JIT編譯的時(shí)間，這樣做就沒有“性價(jià)比”了。所以我們來看看被稱為hotspot的這些反復(fù)使用的代碼被編譯模式執(zhí)行的特點(diǎn)：
如果是多次調(diào)用的方法或者是多次執(zhí)行的循環(huán)體就是hotspot的。

一般虛擬機(jī)會為每個(gè)方法添加一個(gè)計(jì)數(shù)器，這個(gè)計(jì)數(shù)器用于計(jì)量方法執(zhí)行的次數(shù)，當(dāng)這個(gè)計(jì)數(shù)器計(jì)量這個(gè)方法調(diào)用超過某個(gè)閾值時(shí)就會觸發(fā)JIT編譯器對這個(gè)方法的編譯，即時(shí)編譯后的代碼會成為本地機(jī)器碼，執(zhí)行速度會大大加快，同時(shí)由于這個(gè)方法使用次數(shù)非常多，所以將會大大加速程序的運(yùn)行。當(dāng)然這個(gè)過程不是僅僅這么簡單，因?yàn)槿绻@樣的話程序運(yùn)行時(shí)間足夠長的話會有很多并不那么“熱”的代碼也會成為hotspot的，比如某段代碼運(yùn)行了一段時(shí)間后陷入了“冷”狀態(tài)，那么這段代碼就算不上是hotspot的，因此默認(rèn)情況下虛擬機(jī)查看的更是代碼在一個(gè)時(shí)間內(nèi)的調(diào)用頻率，如果一段時(shí)間內(nèi)的使用次數(shù)足夠多才會說明這段代碼是hotspot的。

同樣的，循環(huán)體會被虛擬機(jī)加入一個(gè)回邊計(jì)數(shù)器用以統(tǒng)計(jì)循環(huán)體的使用頻率。
下面展示的就是在JIT這套機(jī)制下的編譯模式的執(zhí)行流程：

值得注意的是，JIT編譯的時(shí)候并不是說線程就停在這里一直等待編譯的本地機(jī)器碼的結(jié)果出現(xiàn)，而是繼續(xù)以解釋模式執(zhí)行，這能充分利用執(zhí)行時(shí)間，等到下次執(zhí)行到這里的時(shí)候再看看是否JIT編譯已經(jīng)有了結(jié)果，如果有了就去執(zhí)行本地代碼，否則還得解釋執(zhí)行以繼續(xù)等待。

JIT即時(shí)編譯器在后臺執(zhí)行的編譯任務(wù)時(shí)也會首先對字節(jié)碼進(jìn)行優(yōu)化，包括方法內(nèi)聯(lián)和常量傳播等策略，然后轉(zhuǎn)換成高級中間代碼表示，再進(jìn)行一次優(yōu)化，然后轉(zhuǎn)為平臺相關(guān)的低級中間代碼表示，再進(jìn)行一次優(yōu)化，最后變成平臺相關(guān)的機(jī)器代碼。這個(gè)底層的優(yōu)化過程屬于相對機(jī)器層級的優(yōu)化。

這里所提的還有幾個(gè)編譯過程中的比較典型的優(yōu)化技術(shù)：

公共子表達(dá)式消除：用于消除重復(fù)計(jì)算帶來的性能損失；

數(shù)組邊界檢查消除：編譯期確定的數(shù)組范圍將不必要的邊界檢查條件去除；

方法內(nèi)聯(lián)：避免方法調(diào)用的時(shí)候產(chǎn)生的棧切換和現(xiàn)場恢復(fù)等過程帶來的損耗，由于java的因?yàn)樘摲椒ǖ闹剌d重寫等問題帶來的方法分派問題，內(nèi)聯(lián)的結(jié)果不能確定一定正確，所以才用的一般是激進(jìn)優(yōu)化失敗退回的策略；

逃逸分析：如果一個(gè)方法中的局部變量不會通過調(diào)用函數(shù)作為參數(shù)傳出被外部方法或線程使用的時(shí)候，可以采用更加高效的辦法優(yōu)化：

棧上分配：在棧上直接為變量對象分配空間，因?yàn)橹懒诉@個(gè)對象不會發(fā)生逃逸被外部訪問到，所以某種程度上來講這就是一個(gè)“臨時(shí)封閉在方法里”的對象，所以這種棧上分配的辦法不會造成問題。使用完畢后就將它直接釋放，也減小了gc的壓力。

同步消除：同理的，不會被外部線程訪問到的“臨時(shí)封閉在方法里”的對象是不會發(fā)生共享的，所以可以消除它的同步標(biāo)記。

標(biāo)量替換：如果一個(gè)局部變量對象是“臨時(shí)封閉在方法里”的對象，那么就完全沒有必要建立一個(gè)完整的對象，只需要在棧上創(chuàng)建它的相關(guān)字段就可以了，這樣做可以加速對真正被訪問的變量的速度。