Javac如何编译程序。

悠悠 2024-02-18 22:20 4阅读 0赞

## 转化步骤 ##

首先，要读取源代码，一个字节为一节的度进来，找出在这些字节中有哪些是我们定义的语法关键词，如Java中的if、else、for、while等关键词：要识别哪些if是合法的关联词，哪些不是，这个步骤就是词法分析过程。  
此法分析的结果就是从源代码中找出一些规范化的Token流，就像在人类语言中，给你一句话，你要能分辨出其中哪些是词语，哪些是标点符号，哪些是动词，哪些是名词等。  
接着，就是对这些Token流进行语法分析了，这一步就是检查这些关键词组合在一起是不是符合Java语言规范，如在if的后面是不是紧跟着一个布尔判断表达式。就像人类语言中是不是有主谓宾，主谓宾结合得是否正确，语法是否正确。  
语法分析的结果就是形成一个符合Java语言规范的抽象语法树。抽象语法树是一个结构化的语法表达形式，他的作用是把语言的主要词法用一个结构化的形式组织在一起，就像我们大学中所学的离散数学，用数字的形式来表达非数字但又有复杂关系的物质世界。对这棵语法书我们在后面按照新的规则再重新组织，这也是编译器的关键所在。  
接下来是语义分析，虽然上面一部中语法分析已经完成，也就是不存语法问题了，但是语义是不是正确呢？语义分析的主要工作是把一些难懂的、复杂的语法转换成更加简单的语法，将这个步骤对应到我们人类的语言中，就是将难懂的文言文转化成大家都能懂的白话文，或者注解一下一些成语，便于人们更好的理解。  
语义分析的结果就是将复杂的语法转化成最简单的语法，对应到Java中，如将foreach转成for循环结构，还有注解等，最后形成一个注解过后的抽象语法树，这棵语法树更接近目标语言的语法规则。  
最后，通过字节码生成器生成字节码，根据经过注解的抽象语法树生成字节码，也就是将一个数据结构转化为另外一个数据结构，就像将所有的中文次域翻译成英语单词后，按照英语语法组装成英语语句。  
代码生成器的结果就是生成符合Java虚拟机规范的字节码了。  
Javac的各个模块完成了将Java源代码转化成Java字节码的任务，所以Javac主要就有4个模块，分别是词法分析器、语法分析器、语义分析器和代码生成器。

## 词法分析器 ##

JavaC的主要词法分析其的接口类是com.sun.tools.javac.parser.Lexer，他的默认实现类是com.sun.tools.javac.parser.Scanner，Scanner会逐个读取Java文件的单个字符，然后解析出符合Java语言规范的Token序列。  
词法分析器的作用是将Java源文件的字符流转变成对应的Token流。

## 语法分析器 ##

语法分析器的作用是将词法分析器分析的Token流组建成更加结构化的语法树，也就是将一个个单词组装成一句话，一个完整的语句。哪些词语组合在一起是主语、哪些是谓语、哪些是宾语、哪些是定语等，要做进一步区分。  
JavaC的语法树使得Java源码更加结构化，这种结构化可以为后面的进一步处理提供方便。每个语法树上的节点都是com.sun.tools.javac.tree.JCTree的一个实例，关于语法树规则如下。  
每个语法节点都会实现一个接口xxxTree，这个接口又继承自com.sun.source.tree.Tree接口，如IFTree语法节点表示一个if类型的表达式，BinaryTree语法节点代表一个二元操作表达式等。  
每个语法节点都是com.sun.tools.javac.tree.JCTree的子类，并且会实现第一节点中的xxxTree接口类，这个类的名称类似于JCxxx，如实现IfTree接口的实现类为JCIf，实现BinaryTree接口的类为JCBinary等。  
所有的JCxxx类都作为一个静态内部类定义在JCTree类中。  
关于语法分析器还有一点要说明的是，所有语法节点的生成都是在TreeMaker类中完成的，TreeMaker实现了在JCTree.Factory接口中定义的所有节点的构成方法，通过该类你也能够发现在Java中到底有多少种语法节点。

## 语义分析器 ##

将在Java类中的符号输入到符号表中主要由com.sun.tools.javac.comp.Enter类来完成，这个类主要万册灰姑娘以下两个步骤。

1.  将在所有类中出现的符号输入到类自身的符号表中，所有类符号、类的参数类型符号（泛型参数类型）、超类符号和继承的接口类型符号等都存储到一个未处理的列表中。
2.  将这个未处理列表中所有的类都解析到各自的类符号列表中，这个操作是在MemberEnter.complete()中完成的。

下一个步骤是处理annotation（注解），这个步骤是由com.sun.tools.javac.processing.JavacProcessingEnvironment类完成的。  
再接下来是com.sun.tools.javac.comp.Attr（标注），这个步骤最重要的是检查语义合法性并进行逻辑判断，如以下几点。

*  变量的类型是否匹配。
 *  变量在使用前是否已经初始化。
 *  能够推到出泛型方法的参数类型。
 *  字符串常量的合并。

在这个步骤中除Attr之外还需要另外一些类来协助，如下所示。

*  com.sun.tools.javac.comp.Check，辅助Attr类检查语法树中的变量类型是否正确，如二元操作符两边的操作数的类型是否匹配，方法返回的类型是否与接收的引用值类型匹配等。
 *  com.sun.tools.javac.comp.Resolve，主要检查变量、方法或者类的访问是否合法、变量是否是静态变量、变量是否已经初始化等。
 *  com.sun.tools.javac.comp.ConstFold，常量折叠，这里主要针对字符串常量，会将一个字符串常量中的多个字符串合并成一个字符串。
 *  com.sun.tools.javac.comp.Infer，帮助推导泛型方法的参数类型等。

标注完成后由com.sun.tools.javac.comp.Flow类完成数据流分析，数据流分析主要完成如下工作。

*  检查变量在使用前是否都已经被正确赋值。除了Java中的原始类型都会有默认的初始化值，其他像String类型和对象的引用都必须在使用前先赋值。
 *  保证final修饰的变量不会被重复赋值。经过final修饰的变量只能赋一次值，重复赋值会在这一步编译时报错，如果这个变量是静态变量，则在定义时就必须对其赋值。
 *  要确定方法的返回值类型。这里需要检查方法的返回值类型是否确定，并检查接受这个方法返回值的引用类型是否匹配，如果没有返回值，则不能有任何引用类型指向方法的这个返回值。
 *  所有的Checked Exception都要捕获或者向上抛出。例如我们使用FileInputStream读取一个文件时，必须捕获可能抛出的FileNotFondException异常，或者直接向上层方法抛出这个异常。
 *  所有的语句都要被执行到。这里会检查是否有语句出现在一个return方法的后面，因为在return方法后面的语句永远也不会被执行到。

语义分析的最后一个步骤是执行com.sun.tools.javac.comp.Flow，这是在进一步对语法树进行语义分析。总结如下。

*  去掉无用的代码，只有永假的if代码块。
 *  变量的自动转换，如将int自动包装成Integer类型或者相反的操作等。
 *  取出语法糖，将foreach的形式转化成更简单的for循环形式。

## 代码生成器 ##

Java会调用com.sun.tools.javac.jvm.Gen类遍历语法树，生成最终的Java字节码。  
生成Java字节码需要经过以下两个步骤。

1.  将Java方法中的代码块转化成符合JVM语法的命令格式，JVM的操作都是基于栈的，所有的操作都必须经过出栈和进栈来完成。
2.  按照JVM的文件组织格式将字节码输出到以class为扩展名的文件中。

生成字节码除Gen类之外还有两个非常重要的辅助类，如下所述。

*  Items，这个类表示任何可寻址的操作项，包括本地变量、类实例变量或者常量池中用户自定义的常量等，这些操作项都可以作为一个单位出现在操作栈上。
 *  Code，存储生成的字节码，并提供一些能够映射操作码的方法。