JVM系列实践：前端编译优化

主要内容来自：周志明著，《深入理解Java虚拟机》

1.编译器

前端编译器：Sun的Javac、Eclipse JDT的增量式编译器（ECJ）。

JIT编译器：HotSpot VM 的C1、C2编译器。

AOT编译器：GCJ（GNU Compiler for the Java）、Excelsior JET。

2.Javac编译器

Javac编译器是由Java语言编写的程序。放在JDK_SRC_HOME/langtools/src/share/classes/com/sun/tools/javac中。

除了JDK自身的API，只引入了JDK_SRC_HOME/langtools/src/share/classes/com/sun/*里面的代码。

Javac的编译过程大致分为3步：解析与填充符号表、注解处理、语义分析与字节码生成。

2.1 解析与填充符号表

（1）词法、语法分析

    词法分析：单个字符是程序编写过程的最小元素。词法分析是将源代码的字符流转变为标记（Token）集合，标记是编译过程的最小元素，包括关键字、变量名、运算符、字面量（由字母,数字等构成的字符串或者数值,它只能作为右值出现）等。

    词法分析由com.sun.tools.javac.parser.Scanner类实现。

    语法分析：根据Token序列构造抽象语法树（AST，Abstract Syntax Tree）的过程。语法树的每个节点都代表程序代码中的一个语法结构，例如包、类型、接口、修饰符、运算符、返回值及代码注释等。

    语法分析由com.sun.tools.javac.parser.Parser类实现。

（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，可以想象成哈希表中的K-V对。

    符号表登记的内容将用于语义检查和产生中间代码，符号表作为在目标代码生成阶段对符号名分配地址的依据。

    填充符号表由com.sun.tools.javac.comp.Enter类实现。

2.2 注解处理

    注解处理器：可以看做是一组编译器的插件，可以读取、修改、添加抽象语法树中的任意元素。

    这些插件可在处理注解期间对语法树进行修改。修改后，编译器将回到解析及填充符号表的过程重新处理。

    插入式注解处理器的初始化在initProcessAnnotations()方法中完成，执行过程在processAnnotations()方法中完成。

2.3 语义分析与字节码生成

  （1）语义分析

    语义分析过程分为标注检查、数据及控制流分析两个步骤。

    标注检查：内容包括变量使用前是否已被声明、变量与赋值的数据类型是否匹配、常量折叠等。

    标注检查由com.sun.tools.javac.comp.Attr类和com.sun.tools.javac.comp.Check类实现。

    数据与控制流分析：检查出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等问题。

    解语法糖：Java中最常用的语法糖（Syntactic Sugar）有泛型、变长参数、自动装箱/拆箱等。虚拟机不支持这些语法，他们在编译阶段被还原回简单的基础语法结构（这个过程即解语法糖）。

    Java中的泛型实现方法为类型擦除，是一种伪泛型，在编译后的字节码中被替换成了原来的原生类型。

    自动装箱/拆箱尽量避免在循环体中发生。

    解语法糖由desugar方法触发，在com.sun.tools.javac.comp.TransType和com.sun.tools.javac.comp.Lower类中完成。

  （2）字节码生成

     字节码生成把前面各个步骤生成的信息（语法树、符号表）转化为字节码写入到磁盘中，还进行少量代码的添加和转换工作。实例构造器<init>和类构造器<clinit>就是在这个阶段添加到语法树中的。转换工作例如把字符串的加操作替换成StringBuffer或StringBuilder的append()操作。

     字节码生成由com.sun.tools.javac.jvm.Gen类来完成。