猿思考系列1——一文搞懂java代码的执行套路

看完猿进化系列文章，相信你已经具备比较熟练的进行简单的web开发的能力了，不过还不够，要想快速的成长为一个合格的猿人，必须先学会猿人的思考方式。真的很感谢大家的支持，和巨兽的斗争仍然在进行，关于为什么我还在写文章，我想说，能写点儿是点儿，也许是最后一课，猿人工厂君已经说了，虽千万人，吾往矣。程序员更多的时候还是需要正义，坚持，勇敢和不退缩。如果觉得文章还凑活，也希望你关注和转发本文，好文章大家分享嘛。
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程序是一组计算机能够识别和执行的二进制指令。计算机能够识别和执行的永远都是二进制语言，这样子讲可能有点抽象了。举个简单的例子，比如我们用电脑打开图片，当图片在磁盘上时，它只是一个数据。当图片被打开了，图片会被转化为二进制数据装在到内存中，此时内存中的图片数据，其实就是机器可以识别和执行的了，确切来说，内存中的二进制数据，都是程序。

我们回到java程序这个话题上来，java程序也是程序。我们编写的xxx.java文件，是什么呢？我们称它为源代码。计算机是不能直接执行源代码的，因为机器不认识它啊。那怎么办呢？只好将源代码翻译成机器能识别的二进制代码了！这个翻译的过程，我们把它称之为“编译”。可是这种直接能运行的二进制代码，在不同的操作系统的运行方式是不同。JAVA程序为了达到所谓的“一次编写，到处运行”，那么想了一个中间一点的办法，先把源代码翻译为java字节码，也就是我们看到的.class文件啦，然后针对不同的操作系统搞了不同的JVM，这个JVM再负责把java字节码转化为计算机能够识别的二进制代码。JVM实际上是一种抽象化的计算机体系结构，通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。JVM有自己完善的硬体架构，如处理器、堆栈、寄存器等，还具有相应的指令系统。不同的操作系统上有不同的JVM实现，所谓的跨平台，一次编写，到处编写就是这么来的。

 我们都知道，源代码就是一段有规则的字符串，我们要把源代码，转换为JVM能够识别的字节码。肯定需要编译器来做这个事情。开动你OO的大脑，跟上节奏，一起分析分析。

你看哈，所有的源代码都是有规则的。比如java语言的源代码，有很多关键字，比如int, long,float…这些都代表了数据类型，这些关键字是不可分割的，是一种标记我们首先需要讲这些东西提取出来吧。这些都是不能分割的东西，是最小的元素，除了关键字，还有修饰符、变量名、运算符、字面量等等，这些东西比较多，我们可以考虑使用集合来存储它，一般这样的集合我们称之为token集合。这个提取token的过程我们叫做词法分析，最后啊，把源代码转化为一个树型结构的集合，我们称之为抽象语法树。

然后呢，java程序还有一些默认的事情需要做，比如一个类没有编写构造函数，这个时候，还要去填充默认的构造函数，再比如，对于一些annotation的处理等等，这一类操作都是建立在之前的抽象语法树之上噢。这个过程被叫做符号表填充，符号表是一种用于语言翻译器（例如编译器和解释器）中的数据结构。在符号表中，程序源代码中的每个标识符都和它的声明或使用信息绑定在一起，比如其数据类型、作用域以及内存地址。符号表在编译程序工作的过程中需要不断收集、记录和使用源程序中一些语法符号的类型和特征等相关信息。这些信息一般以表格形式存储于系统中。如常数表、变量名表、数组名表、过程名表、标号表等等，统称为符号表。对符号名进行地址分配时，符号表是地址分配的依据。

源代码的信息经过收集和填充之后，是需要做一些检查的事情的，比如变量使用前是否已被声明、变量和赋值之间的数据类型是否匹配，这类事情被叫做标注检查。还有一些事情，比如去检查方法体的每条途径是否都有返回值，返回值是否正确，异常是否都正确处理等等这一类的事情，被叫做数据及控制流分析，总之就是检查语法是否满足语言特性。还有一些支持语言特性的事情，比如支持泛型、支持枚举、自动装箱与拆箱、支持可变参数等等，被做解语法糖，以上这些过程都可以被称为语义分析。

做完了这些事情自然就是生成java字节码了。这个过程其实就是将之前各个阶段产生的信息，写入到磁盘中，另外还要进行少量的代码添加和转换工作。

我们可以简单的画个图，java代码的编译过程如下：

我们先来搞懂什么是环境变量吧，环境变量一般是指在操作系统中，用来指定操作系统运行环境的一些参数，比如系统文件夹位置等等。配置JAVA程序的环境变量，等于是告诉操作系统，“我”在哪个位置。这个“我”就是JVM的位置。如果不做配置，操作系统是找不到我的，java程序的执行也就无从谈起了。

      在思考字节码的加载过程前，我们不妨看看，一个类什么时候会被加载JVM规范要求，一个类或接口在初次使用时，才会被初始化。也就是在第一次才会被初始化。那么我们什么时候才会使用到一个类呢？创建实例、静态方法调用、调用main方法、初始化一个子类必先初始化其父类也算吧、比如使用某个静态常量（非final的那种）、使用反射调用方法……这些行为属于主动去触发的，算主动使用了，除此之外的行为，都属于被动使用了。比如编写main方法，直接访问子类从父类继承而来的静态属性，这种情况下，父类会被初始化，而子类不会，子类只会被加载。

除了加载之外，还会干什么事情呢？开动你OO的大脑想想肯定需要验证吧？要不数据对不对还不知道呢。在使用之前，总还是需要准备一下吧比如为变量分配点内存什么的。Java代码的引用是不是也需要换为内存地址或者偏移量呢？还是需要做些初始化的事情吧？比如静态代码变量，静态代码块什么的。具体步骤嘛，大概率长下面这样：

嗯，我们先想想，java程序中都包含哪些东西吧，具体步骤会不会先不说，我们可以利用OO的思想考虑一下吧。首先呢，java源代码需要被执行，那么它就是java字节码吧。Java字节码需要被执行，肯定需要一个加载字节码的系统，因为我们加载的是一个又一个类，那么姑且叫做类加载系统吧，字节码被加载了，肯定需要被执行，那么这个执行代码的东西，我们就叫它执行引擎好了。我们知道，每一个操作系统都提供了系统函数用于调用，但是每一个操作系统都有所不同。所以呢，我们可以考虑对这些系统函数做一个封装，这些被封装的系统函数又好多的，我们就叫做本地方法库吧。考虑到操作系统也可能不断升级，我们考虑利用面向对象的特性去解决它，嗯，先封装为接口吧，这样把接口与执行引擎和本地方法库进行对接，如果操作系统发生变化，接口不用变化了，改本地方法库就好了。这些接口当然是叫本地接口了。

执行层面的事情考虑好了，我们想一想，java程序都包含了哪些东西？java程序会创建对象吧?把这些对象集中起来管理，这个地方就叫堆。我们运行的java程序，都是要调用方法才能执行的，一个对象中，比如方法，常量，有静态变量，这些东西我们就把它放到方法区吧，他们和程序的运行是相关的。可是好多时候，java还需要调用系统函数，还可能执行其他语言编写的代码啊，这个怎么办呢？也好办，再搞一个本地方法区去存放它就好了。

这些东西都想好了，可是程序依然没能运行起来鸭，那么每一个方法又有什么东西?有方法变量，有返回值，有我们编写的基本语句，有其他方法的调用，方法怎么才能被调用到？肯定是需要地址的啊。好嘛，这堆东西我们一股脑儿的放一起吧，交给执行引擎去执行吧。可是这个地方还没有名字鸭，就叫虚拟机栈吧。嗯，好像还没遇到本地方法，遇到了怎么办？再搞个本地方法栈吧。

接下来我们要考虑程序的具体执行了。一个程序虽然被编译了，但是程序与程序之间还有一些调用关系，这些调用关系需要装配成到一起，程序才能正确执行。这个装配的过程叫做链接。考虑到库函数是很多的，如果在程序运行前需要全部装配好的话，会占用大量的资源。那么我们可以考虑在程序加载时，在来做这个装配。这个过程我们叫做动态链接吧。

那么这样一来，我们可以把每个方法的执行，放到虚拟机栈中，为其分配一个栈帧，每个栈帧都装着方法变量，操作栈数，动态链接，和方法出口就好了。

嗯，当然，程序想要连续的运行下去，必须让CPU知道下一条指令的地址在哪儿，那么这个自然是程序计数器的功能啦。Java是一个多线程的语言，为了让程序更快的执行，我们每一个线程分配虚拟机栈，本地方法栈，程序计数器就好啦。到此为止，为了方便理解和记忆，我们得到了下面这个草图：

        缓存是什么？是计算结果。什么场景下需要缓存？多次需要结果的地方需要缓存。字节码被解释执行一次，就可以得到相关机器码的执行结果，为什么不把这个相关的机器码“缓存起来”，将多次执行的字节码直接转换为机器码，下次就不解释了，直接执行机器码就好了。JDK的 HotSpot虚拟机就搞定了这个问题。提供了两种代码的执行方式：1.解释执行，即逐条将字节码翻译成机器码并执行。2.即时编译(Just-In-Time compilation, JIT), 即将一个方法中包含的所有字节码编译成机器码后再执行。HotSpot是一种热点探测技术，它又是怎么知道哪些代码是热点呢？当然是需要计数器了。没有统计就没有准确嘛。当方法执行超过一定阈值，就认为是热点，就把这段字节码转换为机器码就好了鸭。要统计方法的执行热点怎么办鸭？自然是看方法被了用了多少次了，方法里还有循环体，是不是也应该统计下呢？HotSpot提供了两种计数器，一种是方法调用计数器，用于统计方法的调用次数，一种是回边计数器，用于统计方法体中循环体代码的执行次数。那你说代码怎么执行呢？画个流程图吧，大概率是这样的：  我还是会坚持写技术文章，再难也要坚持，只是速度可能没以前快了，但是很多内容是需要你看完认真思考的，知识的掌握不是学来的，敲视频代码敲会的，学会思考，学会真正的OO,慢慢的你就会快速进入一个高手的境界。
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