从Sun Javac的代码来看,编译过程大致可以分为3个过程,分别是:
- 解析与填充符号表过程。
- 插入式注解处理器的注解处理过程。
- 分析与字节码生成过程。
这3个步骤之间的关系与交互顺序如图1所示。
图1 Javac的编译过程
Javac编译动作的入口是com.sun.tools.javac.main.JavaCompiler类,上述3个过程的代码逻辑集中在这个类的compile()和compile2()方法中,其中主体代码如图2所示,整个编译最关键的处理就由图中标注的8个方法来完成。
图2 Javac编译过程的主体代码
解析与填充符号表
解析步骤由图2中的parseFiles()方法(图2中的过程1.1)完成,解析步骤包括了经典程序编译原理中的词法分析和语法分析两个过程。
- 词法、语法分析 词法分析是将源代码的字符流转变为标记(Token)集合,单个字符是程序编写过程的最小元素,而标记则是编译过程的最小元素,关键字、变量名、字面量、运算符都可以成为标记,如“int a=b+2”这句代码包含了6个标记,分别是int a = b + 2,虽然关键字int由3个字符构成,但是它只是一个Token,不可再拆分。在Javac的源码中,词法分析过程由com.sun.tools.javac.parser.Scanner类来实现。 语法分析是根据Token序列构造抽象语法树的过程,抽象语法树(Abstract Syntax Tree,AST)是一种用来描述程序代码语法结构的树形表示方式,语法树的每一个节点都代表着程序代码中的一个语法结构(Construct),例如包、类型、修饰符、运算符、接口、返回值甚至代码注释等都可以是一个语法结构。
- 填充符号表
- 完成了语法分析和词法分析之后,下一步就是填充符号表的过程,也就是图2中enterTrees()方法(图2中的过程1.2)所做的事情。符号表(Symbol Table)是由一组符号地址和符号信息构成的表格。符号表中所登记的信息在编译的不同阶段都要用到。在语义分析中,符号表所登记的内容将用于语义检查(如检查一个名字的使用和原先的说明是否一致)和产生中间代码。在目标代码生成阶段,当对符号名进行地址分配时,符号表是地址分配的依据。
在Javac源代码中,填充符号表的过程由com.sun.tools.javac.comp.Enter类实现,此过程的出口是一个待处理列表(To Do List),包含了每一个编译单元的抽象语法树的顶级节点, 以及package-info.java(如果存在的话)的顶级节点。
注解处理器
注解与普通的Java代码一样,是在运行期间发挥作用的。在JDK 1.6中实现了JSR-269规范,提供了一组插入式注解处理器的标准API在编译期间对注解进行处理,我们可以把它看做是一组编译器的插件,在这些插件里面,可以读取、修改、添加抽象语法树中的任意元素。如果这些插件在处理注解期间对语法树进行了修改,编译器将回到解析及填充符号表的过程重新处理,直到所有插入式注解处理器都没有再对语法树进行修改为止,每一次循环称为一个Round,也就是图1中的回环过程。
有了编译器注解处理的标准API后,我们的代码才有可能干涉编译器的行为,由于语法树中的任意元素,甚至包括代码注释都可以在插件之中访问到,所以通过插入式注解处理器实现的插件在功能上有很大的发挥空间。
在Javac源码中,插入式注解处理器的初始化过程是在initPorcessAnnotations()方法中 完成的,而它的执行过程则是在processAnnotations()方法中完成的,这个方法判断是否还有新的注解处理器需要执行,如果有的话,通过 com.sun.tools.javac.processing.JavacProcessingEnvironment类的doProcessing()方法生成一个 新的JavaCompiler对象对编译的后续步骤进行处理。
语义分析与字节码生成
语法分析之后,编译器获得了程序代码的抽象语法树表示,语法树能表示一个结构正确的源程序的抽象,但无法保证源程序是符合逻辑的。而语义分析的主要任务是对结构上正确的源程序进行上下文有关性质的审查,如进行类型审查。
Javac的编译过程中,语义分析过程分为标注检查以及数据及控制流分析两个步骤,分别由图2中所示的attribute()和flow()方法(分别对应图2中的过程3.1和过程3.2)完成。
- 标注检查 标注检查步骤检查的内容包括诸如变量使用前是否已被声明、变量与赋值之间的数据类型是否能够匹配等。在标注检查步骤中,还有一个重要的动作称为常量折叠,如果我们在代码中写了如下定义:int a=1+2;那么在语法树上仍然能看到字面量“1”、“2”以及操作符“+”,但是在经过常量折叠之后,它们将会被折叠为字面量“3”,这个插入式表达式(Infix Expression)的值已经在语法树上标注出来了。由于编译期间进行了常量折叠,所以在代码里面定义“a=1+2”比起直接定义“a=3”,并不会增加程序运行期哪怕仅仅一个CPU指令的运算量。
标注检查步骤在Javac源码中的实现类是com.sun.tools.javac.comp.Attr类和com.sun.tools.javac.comp.Check类。 - 数据及控制流分析
数据及控制流分析是对程序上下文逻辑更进一步的验证,它可以检查出诸如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了等问题。编译时期的数据及控制流分析与类加载时的数据及控制流分析的目的基本上是一致的,但校验范围有所区别,有一些校验项只有在编译期或运行期才能进行。 - 解语法糖 语法糖(Syntactic Sugar),也称糖衣语法,指在计算机语言中添加的某种语法,这种语法对语言的功能并没有影响,但是更方便程序员使用。通常来说,使用语法糖能够增加程序的可读性,从而减少程序代码出错的机会。Java中最常用的语法糖主要是泛型、变长参数、自动装箱/拆箱等,虚拟机运行时不支持这些语法,它们在编译阶段还原回简单的基础语法结构,这个过程称为解语法糖。在Javac的源码中,解语法糖的过程由desugar()方法触发,在com.sun.tools.javac.comp.TransTypes类和com.sun.tools.javac.comp.Lower类中完成。
- 字节码生成 字节码生成是Javac编译过程的最后一个阶段,在Javac源码里面由com.sun.tools.javac.jvm.Gen类来完成。字节码生成阶段不仅仅是把前面各个步骤所生成的信息(语法树、符号表)转化成字节码写到磁盘中,编译器还进行了少量的代码添加和转换工作。完成了对语法树的遍历和调整之后,就会把填充了所有所需信息的符号表交给com.sun.tools.javac.jvm.ClassWriter类,由这个类的writeClass()方法输出字节码,生成最终的Class文件,到此为止整个编译过程宣告结束。