JVM专题二：Java如何进行编译的

编程语言分类

       通常我们将编程语言分为高级语言和低级语言，通常高级语言因为其易用性和可移植性而被广泛使用，而低级语言在需要对硬件进行精细控制时非常有用，例如在嵌入式系统编程或操作系统开发中。

        高级语言更接近人类语言，易于阅读和编写，它们提供了抽象层，使得程序员可以不必关注底层硬件细节。Java、C、Python等都是高级语言的例子，它们允许开发者使用高级的语法和结构来编写程序，然后通过编译器或解释器将这些代码转换成机器可以执行的指令。

        低级语言，如机器语言和汇编语言，更接近于计算机硬件。机器语言由一系列二进制代码组成，是计算机可以直接执行的指令。汇编语言是一种低级语言，它使用助记符来表示机器指令，比机器语言更易于人类理解和编写，但仍然需要通过汇编器转换成机器语言。

当然，让我们通过一些简单的例子来展示高级语言和低级语言之间的差异：

假设我们要编写一个程序，计算两个数的和。在Python这样的高级语言中，代码可能如下所示

高级语言的例子（Java）

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 3;
        int b = 5;
        int result = addNumbers(a, b);
        System.out.println("结果是: " + result);
    }

    public static int addNumbers(int a, int b) {
        return a + b;
    }
}

这段代码非常直观，几乎不用解释就可以看出它的功能。

低级语言的例子（汇编语言）

如果我们使用汇编语言来完成同样的任务，代码可能会复杂得多，并且依赖于特定的处理器架构。以下是一个在x86架构上使用汇编语言计算两个数和的示例：

; 低级语言（汇编语言）示例
section .data
    a dd 3       ; 定义变量a并初始化为3
    b dd 5       ; 定义变量b并初始化为5
    result dd 0  ; 定义结果变量并初始化为0

section .text
    global _start

_start:
    mov eax, [a] ; 将变量a的值移动到寄存器eax
    add eax, [b] ; 将变量b的值加到eax
    mov [result], eax ; 将结果存储回变量result

    ; 这里通常会有退出程序的代码，但为了简化，我们省略了这部分

机器语言的例子（X86架构）

如果我们使用汇编语言来完成同样的任务，代码可能会复杂得多，并且依赖于特定的处理器架构。以下是一个在x86架构上使用汇编语言计算两个数和的示例：

00000001 00000011  LOAD R0, 3  ; 加载数字3到寄存器0
00000010 00000001  LOAD R1, 5  ; 加载数字5到寄存器1
00000011 00000001  ADD R1, R0  ; 将寄存器0的值加到寄存器1
11111111 11111111  HALT        ; 停止程序

在这个示例中，我们使用了一些假设的指令：

• LOAD 指令将一个立即数加载到寄存器中。（这个指令稍微关注下，后续记录多线程介绍内存屏障会再次提到）
• ADD 指令将两个寄存器的值相加。
• HALT 指令停止程序执行。

注意：这个示例是非常简化的，实际的机器语言指令集要复杂得多，并且每个CPU架构都有自己独特的指令集。在实际编程中，我们几乎不会直接编写机器语言代码，因为这是低效且容易出错的。相反，我们使用高级语言编写代码，然后由编译器或汇编器转换成机器语言。

通过上述的示例代码，可以知道高级语言与低级语言之间的转换确实不是简单的一对一映射。高级语言的抽象层级使得程序员可以不必关心底层硬件的具体实现细节，而编译器则负责将这些高级语言编写的代码转换成计算机能够理解的机器指令。

编译过程

编译过程通常包括以下几个步骤：

1. 预处理：处理源代码中的预处理指令。
2. 词法分析：将源代码分解成一系列的词素（tokens）。
3. 语法分析：构建语法树，检查代码的语法结构。
4. 语义分析：检查代码的语义正确性。
5. 优化：对代码进行优化，提高执行效率。
6. 代码生成：将优化后的代码转换成目标代码，通常是机器指令。

编译器与汇编器

• 编译器：如javac，是将高级语言代码转换成机器指令的程序。编译器处理的是高级语言的抽象概念，如变量、控制流、函数等，并将它们转换成可以在特定平台（JVM）上执行的机器代码。
• 汇编器：将汇编语言代码转换成机器语言。汇编器的工作相对简单，因为它处理的是接近机器指令的助记符。
• JVM提供特定的平台，可以将.class文件编译成机器预言，通常将JVM称之为后端编译。

高级语言的优点

使用高级语言编程的优点包括：

• 易用性：高级语言更接近自然语言，易于学习和使用。
• 可读性：代码结构清晰，易于阅读和理解。
• 可维护性：由于代码的清晰结构，维护和修改代码变得更加容易。
• 跨平台性：高级语言编写的程序通常可以在不同的硬件和操作系统上运行，只需重新编译即可。
• 安全性：高级语言提供了更多的安全特性，如类型检查、内存管理等，减少了运行时错误。

高级语言的缺点

尽管高级语言有许多优点，但也存在一些缺点：

• 编译时间：编译过程可能需要一些时间，特别是对于大型项目。
• 性能开销：高级语言编写的程序可能在性能上不如直接用低级语言编写的程序，因为高级语言的抽象层级可能会引入一些运行时开销。
• 依赖编译器：程序的行为在一定程度上依赖于编译器的实现。