[译]C++, Java和C#的编译过程解析

1.1.1 摘要

咱们知道计算机不能直接理解高级语言，它只能理解机器语言，因此咱们必需要把高级语言翻译成机器语言，这样计算机才能执行高级语言编写的程序，在接下来的博文中，咱们将介绍非托管和托管语音的编译过程。

1.1.2正文

非托管环境的编译过程（C/C++）

纯C/C++的程序一般运行在一个非托管环境中，类是由头文件（.h）和实现文件（.cpp）组成，每一个类造成了一个单独的编译单元，当咱们编译程序时，几个基本组件会把咱们的源代码翻译成二进制代码，接下来咱们经过如下图片说明非托管环境的编译过程：

图1 C/C++编译过程

首先是预处理器，若是在项目中有头文件和宏表达式，那么它将负责包含头文件和翻译全部的宏观表达式。

接下来是编译器，它不是直接生成二进制代码，而是生成汇编代码（.s），这基本上是全部现代的非结构化语言的共同基础。

而后，汇编程序把汇编代码翻译成目标代码（.o和.obj文件，机器指令）。

最后连接器，它把全部彼此相关的目标文件和生成的可执行文件或库连接起来。

总而言之，在通常状况下，咱们的代码首先翻译成汇编代码，接着翻译成机器指令（二进制代码）。

什么是宏？

在C/C++中，宏是预处理指令，它有多种应用技术：包括预约义、建立关键字和条件编译等等。在通常状况下，这些技术在C++中使用被认为是很差的作法，主要缘由是有可能滥用C++提供的语法变化功能，甚至有可能在不知情状况下建立了非标准的语言，宏不遵循通常的源代码编译规则，因为它经过预处理来处理，而不是编译器。

托管环境的编译过程（C#/Java）

在托管环境中，编译的过程略有不一样，咱们熟知的托管语言有C#和Java，接下来，咱们将以C#和Java为例介绍在托管环境中的编译过程。

当咱们在喜好的IDE中编写代码时，第一个检测咱们代码的就是IDE（词法分析），而后，编译成目标文件和连接到动态/静态库或可执行文件进行再次检查（语法分析），最后一次检查是运行时检查。托管环境的共同特色是：编译器不直接编译成机器码，而是中间代码，在.NET中称为MSIL - Microsoft Intermediate Language，Java是字节码（Bytecode）

在那以后，在运行时JIT（Just In Time）编译器将MSIL翻译成机器码，这意味着咱们的代码在真正使用的时候才被解析，这容许在CLR（公共语言运行时）预编译和优化咱们的代码，实现程序性能的提升，但增长了程序的启动时间，咱们也可使用Ngen（Native Image Generator）预编译咱们的程序，从而缩短程序的启动时间，但没有运行时优化的优势。（JeffWong的补充Java是先经过编译器编译成Bytecode，而后在运行时经过解释器将Bytecode解释成机器码；C#是先经过编译器将C#代码编译成IL，而后经过CLR将IL编译成机器代码。因此严格来讲Java是一种先编译后解释的语言，而C#是一门纯编译语言，且须要编译两次。）

 

图2 C#的编译过程

.Net Framework就是在Win32 core上添加了一个抽象层，它提供的一个好处就是支持多语言、JIT优化、自动内存管理和改进安全性；另一个完整解决方案是WinRT，但这涉及到另一个主题了，这里不做详细介绍。

图3 Windows API

JIT编译的优势和缺点

JIT编译带来了许多好处，最大的一个在我看来是性能的优点，它容许CLR（通用语言运行时扮演Assembler组件）只执行须要的代码，例如：假设咱们有一个很是大的WPF应用程序，它不是当即加载整个程序，而是CLR开始执行时，咱们代码的不一样部分将经过一个高效的方法翻译成本地指令，由于它可以检查系统JIT和生成优化的代码，而不是按照一个预约义的模式。不幸的是，有一个缺点就是启动的过程比较慢，这意味着它不适用于加载时间长的包。

JIT的替代方案使用NGen

若是Visual Studio由JIT建立，那么它的启动咱们将须要等待几分钟，相反，若是它是使用Ngen（Native Image Generator）编译，它将建立纯二进制可执行文件，若是只考虑速度的问题，那是绝对是正确的选择。

1.1.3总结

在非托管环境中，咱们须要知道编译的过程分红编译和链接两个阶段，编译阶段将源程序（*.c，*.cpp或*.h)转换成为目标代码(*.o或*.obj文件），至于具体过程就是上面说的C/C++编译过程的前三个阶段；连接阶段是把前面转成成的目标代码（obj文件）与咱们程序里面调用的库函数对应的代码连接起来造成对应的可执行文件（exe文件）。

托管环境中，编译过程能够分为：词法分析、语法分析、中间代码生成、代码优化和目标代码生成等等过程；不管是.NET仍是Java，它们都会生成中间代码（MSIL或Bytecode）,而后把优化后的中间代码翻译成目标代码，最后在程序运行时，JIT将IL翻译成机器码。

不管是托管或非托管语言，它们的编译编译过程是把高级语言翻译成计算机能理解的机器码，因为编译过程涉及的知识面很广（编译的原理和硬件知识），并且本人的能力有限，也只能简单的描述一下这些过程，若是你们但愿深刻了解编译的原理，我推荐你们看一下《编译原理》。

参考

[1] http://www.developingthefuture.net/compilation-process-and-jit-compiler/

更新：07/31/2013