軟件開發(fā)的環(huán)境需要什么？一個IDE，一個OS，一個硬件設(shè)備，沒錯，這個實質(zhì)是軟件進(jìn)展的三個層集。在很久很久以前（幾十年），軟件就是直接開發(fā)在硬件設(shè)備上的，用紙帶有無孔標(biāo)識二進(jìn)制位，此時的開發(fā)語言是機(jī)器碼，軟件直接對接硬件設(shè)備；后來很不方便，尤其不方便復(fù)用，然后，有了匯編，有了簡單的編譯環(huán)境，然后逐漸發(fā)展成為OS內(nèi)核；時代會進(jìn)步，軟件要處理越來越多復(fù)雜的場景，然后有了高級語言：C等，為了更加高效友好的開發(fā)，有了最初期的IDE，2000年左右的程序員，應(yīng)該用記得有一個Turbo C，這個也是我的入門IDE，這個至少要比記事本寫代碼方便了一些。軟件的規(guī)模越來越大，行業(yè)分工越來越細(xì)，開發(fā)的效率也越發(fā)的重要，以Android為例，從Eclipse到google官方所推的Android Studio，IDE的功能越來越強(qiáng)大，這個解放了程序員，但也控制了程序員，有誰還會知道，寫在這些IDE中的代碼行，為什么可以執(zhí)行在手機(jī)上？中間有什么過程，是什么模塊在控制這些過程？是完全由IDE實現(xiàn)的嗎？我相信能答出這個問題的人是少數(shù)。古人說過，要知其然，還要知其所以然，只會使用IDE去寫固定的功能模塊，只是一個普通碼農(nóng)，要想用好一個工具（包括IDE及語言），還要了解其實質(zhì)，要明白，我們寫好的代碼，是怎么運(yùn)行到硬件環(huán)境上的。這個話題很大，包括編譯原理、OS結(jié)構(gòu)、硬件驅(qū)動、各種語言等。大不是不去了解的理由，技術(shù)的提交需要反復(fù)的打磨，好，先來揭個蓋子，看一下C/C++及Java由代碼到機(jī)器碼的過程，有了機(jī)器碼之后，再后面的運(yùn)行細(xì)節(jié)，離軟件開發(fā)離得較遠(yuǎn)，和開發(fā)優(yōu)質(zhì)軟件平臺（除OS外）關(guān)系也不太大。
由源碼到機(jī)器碼，C/C++與Java的實現(xiàn)并不相同，為什么要放在一起呢，三個原因吧：（一）從語言代來講，C為二代面向過程語言、C++為三代面向?qū)ο笳Z言，Java為參考C++所設(shè)計的三代面向?qū)ο笳Z言，其本身是有傳承的，語言會傳承，編譯運(yùn)行環(huán)境同樣是傳承的，對比著看，可以看出優(yōu)化方向；（二）我目前主要是在做Android開發(fā)的相關(guān)方面，這個是與自身最切身相關(guān)的語言，Android的內(nèi)核是C/C++環(huán)境、應(yīng)用層和framework層是Java環(huán)境，對這兩門語言有迫切的項目需求。（三）個人認(rèn)為，C/C++、Java作為靜態(tài)語言，其應(yīng)用范圍、語言特性，編譯運(yùn)行原理非常有代表性，尤其是Java在做跨平臺，之后JVM上可以運(yùn)行其他的動態(tài)語言，可以說Java的編譯運(yùn)行可以代表一部分希望跨平臺的動態(tài)語言，比如Kotlin。
先來看一下C/C++的源碼到機(jī)器語言過程發(fā)生了什么，分為四個大步驟：預(yù)編譯、編譯、匯編、鏈接，在C/C++中統(tǒng)稱為編譯。
（一）預(yù)編譯所處理的過程包括：
a.展開宏定義#define
b.處理條件預(yù)編譯指令#if等
c.處理#include
d.刪除注釋
e.為Debug及日志填加行號
f.保留#pragma
（二）編譯所處理的過程包括：
a.詞法分析：使用掃描器將源碼分隔為一系列的記號（Token），即源碼中的不可分隔項，較為容易理解，比如下面的：
int index = (2 + 8) * c 會被折分為 ：int index = ( 2 + 8 ) * c 10個token，左右半括號各為一個
b.語法分析
將a中分出來的Token，映射為語法樹
c.語義分析
在b中語法樹的基礎(chǔ)上，分析是否有錯誤語義，編譯器所能分析的語義為靜態(tài)語義，包括：聲明是否正確、類型是否匹配、類型的轉(zhuǎn)換是否符合要求
d.經(jīng)過前面三個過程后，將源代碼轉(zhuǎn)換為中間語言，可以理解為將c中通過的語法樹通過一定的規(guī)則拍平，變?yōu)轭惣儆谀繕?biāo)代碼的結(jié)構(gòu)，為什么要引入中間語言呢，目標(biāo)語言很多時候是硬件相關(guān)的，而中間語言與硬件無關(guān)。
e.生成目標(biāo)代碼并進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化
目標(biāo)代碼的文件組織格式為.o文件，其內(nèi)部的格式與具體設(shè)備有很大關(guān)系，比如在Android中，對arm7和x86CPU要編譯出不同的so文件，此處同理，不同的硬件環(huán)境生成不同的目標(biāo)代碼。目標(biāo)代碼的優(yōu)化也是針對不同情況有不同處理，在此不再展開，感興趣的同學(xué)可以參考編譯原理相關(guān)書籍。
（三）匯編：匯編的目的是把匯編語言轉(zhuǎn)為機(jī)器語言，基本是一條轉(zhuǎn)一條，沒啥特殊的
（四）鏈接：鏈接是要解決目標(biāo)文件之間的互相依賴關(guān)系，當(dāng)a文件中的aa方法中調(diào)用了b文件的bb方法時，在匯編完成后，a文件的bb方法并沒有準(zhǔn)確的內(nèi)存地址，鏈接后會轉(zhuǎn)換為虛擬地址，虛擬地址可以依據(jù)一定的規(guī)則轉(zhuǎn)換為實際地址，即可以運(yùn)行時找到該方法。鏈接過程包括：地址和空間分配、符號決議和重定位，之后的文檔中可以再總結(jié)下。
Java語言從源代碼到機(jī)器碼的過程要比C/C++復(fù)雜，Java追求的是一次編譯，多次運(yùn)行的跨平臺特性，因而在分層上更為徹底。可以分為編譯期和運(yùn)行期兩個周期，編譯期的輸入為源代碼.java文件、輸出為字節(jié)碼.class文件、運(yùn)行期輸入為字節(jié)碼.class文件，輸出為機(jī)器碼。為何這么做可以跨平臺呢，JVM定義了嚴(yán)格的.class文件的格式，Java文件需要嚴(yán)格按照定義編譯為.class文件，然后可以拿到各個平臺各個版本的虛擬機(jī)上運(yùn)行。如果其他的語言編譯完畢后也遵循.class文件格式，也可以在JVM上和Java一樣運(yùn)行。
先來看Java的編譯期，有以下幾個過程：
（一）生成語法樹及符號表的過程：
a.首先進(jìn)行詞法分析，將源碼的字符流分解為token的集合，token的含義可以參考上面所提到的，即不可折分的個體
b.語法分析，根據(jù)token集合構(gòu)建抽象語法樹
c.生成符號表：符號表是一個類key-value結(jié)構(gòu)的集合，記錄符號的類型、結(jié)構(gòu)、定義，支持增加與刪除
（二）處理Java語言中的注解，修正（一）中生成的語法樹
（三）語義分析，與C/C++的語義分析類似，進(jìn)行一些語義正確性檢測，具體包括：
a.標(biāo)注檢查：類型聲明及賦值是否合適
b.常量折疊：將 1 + 2 直接用3替代
c.上下文的語法檢測，如變量使用前是否賦值等
d.解語法糖，為了提升開發(fā)效率，Java提供了許多的語法糖，比如：泛型、變長參數(shù)、自動裝箱等，在此過程中，會將這些語法糖轉(zhuǎn)為JVM所規(guī)定的格式。具體可以查看Java虛擬機(jī)中相關(guān)語法編譯期的處理
（四）生成字節(jié)碼，生成字節(jié)碼階段主要是兩個事情：
a.按照抽象語法樹及符號表生成相應(yīng)的字節(jié)碼
b.針對Java語言的特點，進(jìn)行些必要的填充，比如：字符串的+轉(zhuǎn)為StringBuilder等
經(jīng)過上述四個過程，Java中的編譯期即進(jìn)行完畢了，可以獲取到.class文件，如果對.class文件格式感興趣，可以看我之前的文章：https://blog.csdn.net/kcstrong/article/details/79460262
繼續(xù)分析下Java的運(yùn)行期，先看下運(yùn)行期有什么特點。首先，運(yùn)行期離Java語言的使用者，離得較遠(yuǎn)，運(yùn)行期處理的是字節(jié)碼到機(jī)器碼之間的轉(zhuǎn)換，Java語言的使用者不需要了解這些細(xì)節(jié)，也可以進(jìn)行高效的開發(fā)。理解這些細(xì)節(jié)，以我當(dāng)前的體驗，對于開發(fā)者來講，主要是增長知識面，對開發(fā)的影響也不大。那運(yùn)行期和什么樣的開發(fā)者關(guān)系較大呢，沒錯，就是虛擬機(jī)開發(fā)人員或者需要優(yōu)化虛擬機(jī)的人員，比如，服務(wù)器的運(yùn)維人員。
Java運(yùn)行期的工作并非是固定的，最基本的，也是最簡單的，當(dāng)然，也可以理解為保底的，是使用解釋器將字節(jié)碼轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼，該原理相當(dāng)?shù)那逦鞔_，有以下步驟：
a.按一定的規(guī)則尋找相關(guān)的類，首先，根據(jù)環(huán)境變量找到j(luò)ava類庫的位置，然后根據(jù)雙親委托模式找到準(zhǔn)確的類位置
b.然后就很簡單了，JVM字節(jié)碼可以直接逐條解釋，只是JVM是基本于棧的指令集，條數(shù)較多，解釋較為耗時。
另一種Java運(yùn)行期的處理為JIT，是一種Java動態(tài)編譯方法，也是當(dāng)前Java虛擬機(jī)效率逐漸追上C/C++的主要因素，分為兩種：Client Compiler和Server Compiler
Client Compiler較為簡單快速，其過程用下面一幅圖來說明：
Server Compiler是一個經(jīng)過充分優(yōu)化的高級編譯器，包括但不限于：無用代碼擦除、基本塊重排序等，其技術(shù)極為復(fù)雜，感興趣的同學(xué)可以查閱專門的資料研究。選用上述那種Compiler進(jìn)行處理，要視環(huán)境的需要而定。
JIT并非完全取代解釋器，只是在需要優(yōu)化的高頻方法或高頻模塊（比如多次for循環(huán)）才會介入，其他時候仍采用的是解釋器的處理方式。
針對Java的源碼到機(jī)器碼的處理，上面提到了兩種編譯運(yùn)行方式分別為：編譯為字節(jié)碼+解釋器、編譯為字節(jié)碼+JIT+解析器。目前還是另一種方式，為AOT，一種靜態(tài)編譯方式，在編譯期，即將源碼編譯為機(jī)器碼，其好處也是顯然的，運(yùn)行器無JVM處理時延，效率最高，但缺點也很明顯：（1）犧牲了Java的跨平臺特性，機(jī)器碼一定是平臺相關(guān)的（2）編譯算法復(fù)雜度相當(dāng)高，JIT在運(yùn)行期，通過運(yùn)行時數(shù)據(jù)收集，制定是否編譯機(jī)器碼，但AOT在編譯期就要收集到這些。
好，總結(jié)一下，總共提到的Java的源碼到機(jī)器碼的處理為三種：
a.編譯為字節(jié)碼+解釋器
b.編譯為字節(jié)碼+JIT+解析器
c.AOT直接編譯為機(jī)器碼
Java目前應(yīng)用范圍要大于C/C++，場景也更為豐富，采用那種方式，要看那些場景更為合適，比如，Android采用的變異后的b方式（編譯后的輸出為dex文件，運(yùn)行前要將dex文件轉(zhuǎn)化為oat格式，運(yùn)行時要處理的格式為oat格式，運(yùn)行時的指令集為基于寄存器的）
從上面對C/C++及Java編譯運(yùn)行的分析，可以看出，編譯的基本原理及流程是相近的，然后加入了后期的優(yōu)化，尤其是Java，為改善編譯及運(yùn)行效率（JIT、AOT、字節(jié)碼等），做了大量的工作，至Android虛擬機(jī)（當(dāng)前文中沒細(xì)說），又根據(jù)平臺特點，在Java的基礎(chǔ)上做了大量的改進(jìn)。C/C++將編譯運(yùn)行封裝起來，對外黑盒，代碼的開發(fā)人員是難以干擾其過程的。而JVM，只是將抽象樹之前的處理封裝起來，后續(xù)的處理可以人為干預(yù)（比如JIT就是對解釋器的一種優(yōu)化）。因而JVM從復(fù)雜度及涉及的技術(shù)面、調(diào)優(yōu)人員來講規(guī)模都要遠(yuǎn)大于C/C++編譯運(yùn)行環(huán)境。
