Javac編譯原理

java源代碼(符合語言規范)-->javac-->.class(二進制文件)-->jvm-->機器語言(不同平台不同種類)

如何讓java的語法規則適應java虛擬機的語法規則？這個任務由javac編譯器來完成java語言規范轉換成java虛擬機語言規范。

編譯流程：

流程：

• 詞法分析器：將源碼轉換為Token流
  • 將源代碼划分成一個個Token(找出java語言中的if，else，for等關鍵字)
• 語法分析器：將Token流轉化為語法樹
  • 將上述的一個個Token組成一句句話（或者說成一句句代碼塊），檢查這一句句話是不是符合Java語言規范(如if后面跟的是不是布爾判斷表達式)
• 語義分析器：將語法樹轉化為注解語法樹
  • 將復雜的語法轉化成簡單的語法（eg.注解、foreach轉化為for循環、去掉永不會用到的代碼塊）並做一些檢查，添加一些代碼(默認構造器)
• 代碼生成器：將注解語法樹轉化為字節碼(即將一個數據結構轉化成另一個數據結構)

ps：要獲取javac編譯器，可以通過OpenJDK來下載源碼，可以自己編譯javac的源碼，也可以通過調用jdk的com.sun.tools.javac.main.Main類來手動編譯指定的類。Javac編譯動作的入口是com.sun.tools.javac.main.JavaCompiler類，代碼邏輯集中在這個類的compile（）和compile2（）方法中，整個編譯最關鍵的處理就由圖中標注的8個方法來完成，

詞法分析器

目的：將源碼轉換為Token流

流程：

一個字符一個字符的讀取源代碼，形成規范化的Token流。規范化的Token包含：

• java關鍵詞：package、import、public、class、int等
• 自定義單詞：包名、類名、變量名、方法名
• 符號：=、;、+、-、*、/、%、{、}等

源碼關鍵：

詞法分析過程是在的JavacParser.parseCompilationUnit()中完成的

com.sun.tools.javac.parser.JavacParser　　規定哪些詞符合Java語言規范，具體讀取和歸類不同詞法的操作由scanner完成
com.sun.tools.javac.parser.Scanner　　負責逐個讀取源代碼的單個字符,然后解析符合Java語言規范的Token序列，調用一次nextToken()都構造一個Token
com.sun.tools.javac.parser.Tokens$TokenKind　　里面包含了所有token的類型，譬如BOOLEAN,BREAK,BYTE,CASE。
com.sun.tools.javac.util.Names　　用來存儲和表示解析后的詞法，每個字符集合都會是一個Name對象，所有的對象都存儲在Name.Table這個內部類中。
com.sun.tools.javac.parser.KeyWords　　負責將字符集合對應到token集合中，如，package zxy.demo.com; Token.PACKAGE = package， Token.IDENTIFIER = zxy.demo.com,(這部分又分為讀取第一個token,為zxy，判斷下一個token是否為“.”，是的話接着讀取下一個Token.IDENTIFIER類型的token，反復直至下一個token不是”.”,也就是說下一個不是Token.IDENIFIER類型的token，Token.SEMI = ；即這個TIDENTIFIER類型的token的Name讀完），KeyWords類負責此任務。

例子：

package compile;
public class Cifa {
    int a;
    int c = a + 1;
}

以上代碼轉化為的Token流：

語法分析器

目的：將進行詞法分析后形成的Token流中的一個個Token組成一句句話，檢查這一句句話是不是符合Java語言規范。

流程：

• package
• import
• 類（包含class、interface、enum），一下提到的類泛指這三類，並不單單是指class

源碼關鍵：

com.sun.tools.javac.tree.TreeMaker　　所有語法節點都是由它生成的，根據Name對象構建一個語法節點
com.sun.tools.javac.tree.JCTree$JCIf 　　所有的節點都會繼承jctree和實現＊＊tree，譬如 JCIf extends JCTree.JCStatement implements IfTree
com.sun.tools.javac.tree.JCTree的三個屬性

• Tree tag:每個語法節點都會以整數的形式表示，下一個節點在上一個節點上加1；
• pos：也是一個整數，它存儲的是這個語法節點在源代碼中的起始位置，一個文件的位置是0，而－1表示不存在
• type：它代表的是這個節點是什么java類型，如int，float，還是string等

例子：

package compile;
public class Yufa {
    int a;
    private int c = a + 1;
    //getter
    public int getC() {
        return c;
    }
    //setter
    public void setC(int c) {
        this.c = c;
    }
}

最終語法樹

ps：左邊還少一個import的語法節點

說明：

• 每一個包package下的所有類都會放在一個JCCompilationUnit節點下，在該節點下包含：package語法樹（作為pid）、各個類的語法樹
• 每一個從JCClassDecl發出的分支都是一個完整的代碼塊，上述是四個分支，對應我們代碼中的兩行屬性操作語句和兩個方法塊代碼塊，這樣其實就完成了語法分析器的作用：將一個個Token單詞組成了一句句話（或者說成一句句代碼塊）
• 在上述的語法樹部分，對於屬性操作部分是完整的，但是對於兩個方法塊，省略了一些語法節點，例如：方法修飾符public、方法返回類型、方法參數。

 語義分析器

目的：將語法樹轉化為注解語法樹

流程：

• 添加默認的無參構造器（在沒有指定任何有參構造器的情況下），把引用其他類的方法或者變量，抑或是繼承實現來的變量和方法等輸入到類自身的符號表中
• 處理注解
• 標注：檢查語義合法性、進行邏輯判斷
  • 檢查語法樹中的變量類型是否匹配（eg.String s = 1 + 2;//這樣"="兩端的類型就不匹配）
  • 檢查變量、方法或者類的訪問是否合法（eg.一個類無法訪問另一個類的private方法）
  • 變量在使用前是否已經聲明、是否初始化
  • 常量折疊（eg.代碼中：String s = "hello" + "world"，語義分析后String s = "helloworld"）
  • 推導泛型方法的參數類型
• 數據流分析
  • 變量的確定性賦值（eg.有返回值的方法必須確定有返回值）
  • final變量只能賦一次值，在編譯的時候再賦值的話會報錯
  • 所有的檢查型異常是否拋出或捕獲
  • 所有的語句都要被執行到（return后邊的語句就不會被執行到，除了finally塊兒）
• 進一步語義分析
  • 去掉永假代碼（eg.if(false)）
  • 變量自動轉換（eg.int和Integer）自動裝箱拆箱
  • 去掉語法糖（eg.foreach轉化為for循環，assert轉化為if，內部類解析成一個與外部類相關聯的外部類）
• 最后，將經過上述處理的語法樹轉化為最后的注解語法樹

源碼關鍵：

com.sun.tools.javac.comp.Enter　　將java類中的符號輸入到符號表中，主要是兩個步驟：

• 將所有類中出現的符號輸入到類自身的符號表中，所有類符號、類的參數類型符號（泛型參數類型）、超類符號和繼承的接口類型符號等都存儲到一個未處理的列表中。
• 將這個未處理的列表中所有的類都解析到各自的類符號列表中，這個操作是在MemberEnter.complete()中完成(默認構造器也是在這里完成的)。

com.sun.tools.javac.processing.JavacProcessingEnvironment　　處理注解

com.sun.tools.javac.comp.Attr　　檢查語義的合理性並進行邏輯判斷，類型是否匹配，是否初始化，泛型是否可推導，字符串常量合並

com.sun.tools.javac.comp.Check　　協助attr，變量類型是否正確

com.sun.tools.javac.comp.Resolve　　協助attr，變量方法類的訪問是否合法，是否是靜態變量

com.sun.tools.javac.comp.ConstFold　　協助attr，常量折疊

com.sun.tools.javac.comp.Infer　　協助attr，推導泛型

com.sun.tools.javac.comp.Flow　　數據流分析和替換等價源代碼的分析（即上面的進一步語義分析）

代碼生成器

目的：將注解語法樹轉化成字節碼，並將字節碼寫入*.class文件。

流程：

• 將java的代碼塊轉化為符合JVM語法的命令形式，這就是字節碼
• 按照JVM的文件組織格式將字節碼輸出到*.class文件中

源碼關鍵：

com.sun.tools.javac.jvm.Gen　　遍歷語法樹生成最終的java字節碼
com.sun.tools.javac.jvm.Items　　輔助gen，這個類表示任何可尋址的操作項，這些操作項都可以作為一個單位出現在操作棧上
com.sun.tools.javac.jvm.Code　　輔助gen，存儲生成的字節碼，並提供一些能夠影射操作碼的方法