[深入理解Java虚拟机] 第10章 早期(编译期)优化

 2019-12-22 11:23  阅读(1364)
文章分类:JVM

Java语言的“编译期”其实是一段“不确定”的操作过程,因为它可能是指一个前端编译器(其实叫“编译器的前端”更准确一些)把*.java文件转变成*.class文件的过程;也可能是指虚拟机的后端运行期编译器(JIT编译器,Just In Time Compiler)把字节码转变成机器码的过程;还可能是指使用静态提前编译器(AOT编译器,Ahead Of Time Compiler)直接把*.java文件编译成本地机器代码的过程

Javac编译器

Javac编译器不像HotSpot虚拟机那样使用C++语言(包含少量C语言)实现,它本身就是一个由Java语言编写的程序,这为纯Java的程序员了解它的编译过程带来了很大的便利。

从Sun Javac的代码来看,编译过程大致可以分为3个过程,分别是:

  • 解析与填充符号表过程。
  • 插入式注解处理器的注解处理过程。
  • 分析与字节码生成过程。

1. 解析与填充符号表

1.1. 词法、语法分析

词法分析是将源代码的字符流转变为标记(Token)集合,单个字符是程序编写过程的最小元素,而标记则是编译过程的最小元素,关键字、变量名、字面量、运算符都可以成为标记

语法分析是根据Token序列构造抽象语法树的过程

1.2. 填充符号表

符号表(Symbol Table)是由一组符号地址和符号信息构成的表格,读者可以把它想象成哈希表中K-V值对的形式(实际上符号表不一定是哈希表实现,可以是有序符号表、树状符号表、栈结构符号表等)

填充符号表的过程由com.sun.tools.javac.comp.Enter类实现,此过程的出口是一个待处理列表(To Do List),包含了每一个编译单元的抽象语法树的顶级节点,以及package-info.java(如果存在的话)的顶级节点。

2. 注解处理器

在JDK 1.5之后,Java语言提供了对注解(Annotation)的支持,这些注解与普通的Java代码一样,是在运行期间发挥作用的

在JDK 1.6中实现了JSR-269规范,提供了一组插入式注解处理器的标准API在编译期间对注解进行处理,我们可以把它看做是一组编译器的插件,在这些插件里面,可以读取、修改、添加抽象语法树中的任意元素。如果这些插件在处理注解期间对语法树进行了修改,编译器将回到解析及填充符号表的过程重新处理,直到所有插入式注解处理器都没有再对语法树进行修改为止,每一次循环称为一个Round

3. 语义分析和字节码生成

语义分析过程分为标注检查以及数据及控制流分析两个步骤

3.1. 标注检查

标注检查步骤检查的内容包括诸如变量使用前是否已被声明、变量与赋值之间的数据类型是否能够匹配等。

在标注检查步骤中,还有一个重要的动作称为常量折叠(1+2会被直接编译成3)

3.2. 数据及控制流分析

可以检查出诸如程序局部变量在使用前是否有赋值、方法的每条路径是否都有返回值、是否所有的受查异常都被正确处理了等问题。

将局部变量声明为final,对运行期是没有影响的,变量的不变性仅仅由编译器在编译期间保障

3.3. 解语法糖

语法糖指在计算机语言中添加的某种语法,这种语法对语言的功能并没有影响,但是更方便程序员使用。通常来说,使用语法糖能够增加程序的可读性,从而减少程序代码出错的机会。

虚拟机运行时不支持这些语法,它们在编译阶段还原回简单的基础语法结构,这个过程称为解语法糖

3.4. 字节码生成

不仅仅是把前面各个步骤所生成的信息(语法树、符号表)转化成字节码写到磁盘中,编译器还进行了少量的代码添加和转换工作:

  • 实例构造器<init>()方法和类构造器<clinit>()方法就是在这个阶段添加到语法树之中的
  • 字符串的加操作替换为StringBuffer或StringBuilder(取决于目标代码的版本是否大于或等于JDK 1.5)的append()操作等。

Java语法糖

1. 泛型与类型擦除

泛型是JDK 1.5的一项新增特性,它的本质是参数化类型(Parametersized Type)的应用,也就是说所操作的数据类型被指定为一个参数。这种参数类型可以用在类、接口和方法的创建中,分别称为泛型类、泛型接口和泛型方法。

Java语言中的泛型则不一样,它只在程序源码中存在,在编译后的字节码文件中,就已经替换为原来的原生类型(Raw Type,也称为裸类型)了,并且在相应的地方插入了强制转型代码,因此,对于运行期的Java语言来说,ArrayList<int>与ArrayList<String>就是同一个类,所以泛型技术实际上是Java语言的一颗语法糖,Java语言中的泛型实现方法称为类型擦除,基于这种方法实现的泛型称为伪泛型。

两个方法如果有相同的名称和特征签名,但返回值不同,那它们也是可以合法地共存于一个Class文件中的。

JCP组织对虚拟机规范做出了相应的修改,引入了诸如Signature、LocalVariableTypeTable等新的属性用于解决伴随泛型而来的参数类型的识别问题,Signature是其中最重要的一项属性,它的作用就是存储一个方法在字节码层面的特征签名[3],这个属性中保存的参数类型并不是原生类型,而是包括了参数化类型的信息

从Signature属性的出现我们还可以得出结论,擦除法所谓的擦除,仅仅是对方法的Code属性中的字节码进行擦除,实际上元数据中还是保留了泛型信息,这也是我们能通过
反射手段取得参数化类型的根本依据。

2. 自动装箱、拆箱与遍历循环

  • 当 “==”运算符的两个操作数都是包装器类型的引用,则是比较指向的是否是同一个对象,而如果其中有一个操作数是表达式(即包含算术运算)则比较的是数值(即会触发自动拆箱的过程)。另外,对于包装器类型,equals方法并不会进行类型转换。

  • 在通过valueOf方法创建Integer对象的时候,如果数值在[-128,127]之间,便返回指向IntegerCache.cache中已经存在的对象的引用;否则创建一个新的Integer对象。

    public static void main(String[]args){ Integer a=1; Integer b=2; Integer c=3; Integer d=3; Integer e=321; Integer f=321; Long g=3L; Long h = 2L; System.out.println(c==d); System.out.println(e==f); System.out.println(c==(a+b)); System.out.println(c.equals(a+b)); System.out.println(g==(a+b)); System.out.println(g.equals(a+b)); System.out.println(g.equals(a+h)); }

    output:
    true
    false
    true
    true
    true
    false
    true
    

3. 条件编译

  • Java语言当然也可以进行条件编译,方法就是使用条件为常量的if语句。

    public static void main(String[]args){ if(true){ System.out.println("block 1"); }else{ System.out.println("block 2"); } }

    上述代码编译后Class文件的反编译结果:
    public static void main(String[]args){
        System.out.println("block 1");
    }
    

只能使用条件为常量的if语句才能达到上述效果,如果使用常量与其他带有条件判断能力的语句搭配,则可能在控制流分析中提示错误,被拒绝编译

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