Java 代码 编译和执行过程

流程图

Java代码编译是由Java源码编译器来完成，流程图以下所示：

Java字节码（class文件）的执行是由JVM执行引擎来完成，流程图以下所示：

Java代码编译和执行的整个过程包含了如下三个重要的机制：

• Java源码编译机制
• 类加载机制
• 类执行机制

Java源码编译机制

Java 源码编译由如下三个过程组成：

• 分析和输入到符号表
• 注解处理
• 语义分析和生成class文件 流程图以下所示：

最后生成的class文件由如下部分组成：

• 结构信息:包括class文件格式版本号及各部分的数量与大小的信息
• 元数据:对应于Java源码中声明与常量的信息。包含类/继承的超类/实现的接口的声明信息、域与方法声明信息和常量池
• 方法信息:对应Java源码中语句和表达式对应的信息。包含字节码、异常处理器表、求值栈与局部变量区大小、求值栈的类型记录、调试符号信息。

类加载机制

JVM的类加载是经过ClassLoader及其子类来完成的，类的层次关系和加载顺序能够由下图来描述：

1）Bootstrap ClassLoader 负责加载 $JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar里全部的class，由C++实现，不是ClassLoader子类 2）Extension ClassLoader 负责加载java平台中扩展功能的一些jar包，包括$JAVA_HOME中jre/lib/*.jar或-Djava.ext.dirs指定目录下的jar包 3）App ClassLoader 负责记载classpath中指定的jar包及目录中class 4）Custom ClassLoader 属于应用程序根据自身须要自定义的ClassLoader，如tomcat、jboss都会根据j2ee规范自行实现ClassLoader 加载过程当中会先检查类是否被已加载，检查顺序是自底向上，从Custom ClassLoader到BootStrap ClassLoader逐层检查，只要某个classloader已加载就视为已加载此类，保证此类只全部ClassLoader加载一次。而加载的顺序是自顶向下，也就是由上层来逐层尝试加载此类。

类执行机制

JVM是基于栈的体系结构来执行class字节码的。线程建立后，都会产生程序计数器（PC）和栈（Stack），程序计数器存放下一条要执行的指令在方法内的偏移量，栈中存放一个个栈帧，每一个栈帧对应着每一个方法的每次调用，而栈帧又是有局部变量区和操做数栈两部分组成，局部变量区用于存放方法中的局部变量和参数，操做数栈中用于存放方法执行过程当中产生的中间结果。栈的结构以下图所示：

类被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为主，它的整个生命周期包括：加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）和卸载（Unloading）7个阶段。其中验证、准备、解析3个阶段称为链接（Linking）。

实例：

以下图，Java程序从源文件建立到程序运行要通过两大步骤：一、源文件由编译器编译成字节码（ByteCode） 二、字节码由java虚拟机解释运行。由于java程序既要编译同时也要通过JVM的解释运行，因此说Java被称为半解释语言。

//MainApp.java  
public class MainApp {  
    public static void main(String[] args) {  
        Animal animal = new Animal("Puppy");  
        animal.printName();  
    }  
}  
//Animal.java  
public class Animal {  
    public String name;  
    public Animal(String name) {  
        this.name = name;  
    }  
    public void printName() {  
        System.out.println("Animal ["+name+"]");  
    }  
}

第一步(编译): 建立完源文件以后，程序会先被编译为.class文件。Java编译一个类时，若是这个类所依赖的类尚未被编译，编译器就会先编译这个被依赖的类，而后引用，不然直接引用，这个有点象make。若是java编译器在指定目录下找不到该类所其依赖的类的.class文件或者.java源文件的话，编译器话报“cant find symbol”的错误。

编译后的字节码文件格式主要分为两部分：常量池和方法字节码。常量池记录的是代码出现过的全部token(类名，成员变量名等等)以及符号引用（方法引用，成员变量引用等等）；方法字节码放的是类中各个方法的字节码。下面是MainApp.class经过反汇编的结果，咱们能够清楚看到.class文件的结构：

第二步（运行）：java类运行的过程大概可分为两个过程：一、类的加载 二、类的执行。须要说明的是：JVM主要在程序第一次主动使用类的时候，才会去加载该类。也就是说，JVM并非在一开始就把一个程序就全部的类都加载到内存中，而是到不得不用的时候才把它加载进来，并且只加载一次。 下面是程序运行的详细步骤：

1. 在编译好java程序获得MainApp.class文件后，在命令行上敲java AppMain。系统就会启动一个jvm进程，jvm进程从classpath路径中找到一个名为AppMain.class的二进制文件，将MainApp的类信息加载到运行时数据区的方法区内，这个过程叫作MainApp类的加载。
2. 而后JVM找到AppMain的主函数入口，开始执行main函数。
3. main函数的第一条命令是Animal animal = new Animal(“Puppy”);就是让JVM建立一个Animal对象，可是这时候方法区中没有Animal类的信息，因此JVM立刻加载Animal类，把Animal类的类型信息放到方法区中。
4. 加载完Animal类以后，Java虚拟机作的第一件事情就是在堆区中为一个新的Animal实例分配内存, 而后调用构造函数初始化Animal实例，这个Animal实例持有着指向方法区的Animal类的类型信息（其中包含有方法表，java动态绑定的底层实现）的引用。
5. 当使用animal.printName()的时候，JVM根据animal引用找到Animal对象，而后根据Animal对象持有的引用定位到方法区中Animal类的类型信息的方法表，得到printName()函数的字节码的地址。
6. 开始运行printName()函数。