程序员想知道代码是怎样跑起来的

程序员使用Java语言实现累加求和的方法,将文件命名为Sample.java。

public class Sample {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(sum(10));
    }

    private static int sum(int n) {
        int res = 0;
        for (int i = 1; i < n; i++) {
            res += i;
        }
        return res;
    }
}

程序员不想直接点击运行,使用javac编译了Sample.java文件,可以看到Sample.java所在的目录下,生成了Sample.class文件。

那要是汇编语言,具体步骤应该是怎样的啊?

不过,什么是汇编语言?汇编语言其实和硬件息息相关,也就是脱离不了实际的硬件环境,无法跨平台运行,因为汇编语言是人们用助记符表述CPU的动作。CPU结构不一样,汇编语言调用的可能也不一样。

那助记符是什么意思呢?汇编语言的每一行,表示对CPU的一个指令,其语法结构是操作码 + 操作数。当然也存在只有操作码,例如ret,表示将处理返回到函数的调用源。

操作码是对CPU的指令,是动词,那操作码是数据,是存储在CPU的寄存器,是宾语。如mov a b; 表示将b的值赋值给a;add a b; 表示a同b的值相加,并将结果赋值给a。

那CPU是不是直接能懂这些助记符吗?当然不能。

我们知道计算上所有的地址和数据都是由0和1组成的,将汇编语言的那些助记符写在文本文件上,进行编译的时候会调用本地计算机上的应用,名为masm.exe,是一个编译器。

将文本文件编译成目标文件,此时的目标文件成了机器语言,可以直接被本地的CPU所理解的,如果将这个目标文件由别的计算机的不同系列CPU理解,那可能是读不懂,就好比如我们看不懂火星文。

那这个目标文件可以被本地CPU可以直接解析运行了吗?可以是可以,但是会直接被报错。

因为我们仅有这一个目标文件,还不知道这个目标文件和系统的库文件哪些有关。所以,需要一个链接器,把相关的目标文件组合成一个可以在特定平台运行的可执行文件,如下图:

汇编语言

库文件名的后缀也是.O或 .OBJ。其中, .ASM .OBJ和 .EXE是在dos或windows系统下的文件, .S和 *.O是在以Linux内核的系统下的文件后缀名,不过Linux内核不靠文件后缀名来判断这是什么文件,一般靠文件属性来判断,可执行文件在Linux内核中没有后缀名,用ls命令显示这个文件是绿色就是可执行文件。

好了,如果是C/C++语言,它的编译过程应该是怎么样子的呢?

C语言编译器过程

预处理 是将要包含(include)的文件插入原文件中、将宏定义展开、根据条件编译命令选择要使用的代码,最后将这些代码输出到一个“.i”文件中等待进一步处理;

转换 是把C/C++代码(比如上面的".i"文件)“翻译”成汇编代码;

编译 是将用助记符号表示的汇编语言翻译成符合一定格式的机器语言;

链接 是将汇编生成的OBJ文件、系统库的OBJ文件、库文件链接起来,最终生成可以在特定平台运行的可执行程序。

好了,写着写着忘记Java程序的正事了。

大家所说的Java,有两个层面意思,一个是作为编程语言的Java,另一个是作为程序运行环境的Java。这就是Java的特殊所在,特殊就特殊在Java有Java虚拟机。

Java程序也需要编译,但是没有编译成机器语言,而是编译成字节码文件,然后在Java虚拟机用解释的方式执行字节码。

Java虚拟机

编译 是将Java源代码“翻译”为Java虚拟机可执行的字节码文件,保存到硬盘上;

加载 是将生成在内存上的字节码文件的副本,加载到Java虚拟机上;

Java虚拟机 加载后字节码后,执行方式有两种,一种是即时编译器,另一种是字节码解释器,如下图:

Java虚拟机执行引擎

即时编译和解释执行的区别如下:

解释执行:将编译好的字节码一行一行地翻译为机器码执行。

编译执行:以方法为单位,将字节码一次性翻译为机器码后执行。

软件 是指Java虚拟机对于系统来说,是一个应用,是用某个高级语言编写的应用。

当然,Java虚拟机对Java程序来说,是一个运行的环境。我们可以对比分析一下,把Java源代码想象成汇编语言源代码,字节码想象成本地CPU可执行的机器语言,Java虚拟机想象成本地CPU

所以这就是为什么说Java是跨平台的,因为Java虚拟机是一个应用嘛。不过,不同的系统,应用也是不同的,所以系统不同,Java虚拟机也是不同的,但是字节码文件可以不变的,可以直接到其它不同系统上的虚拟机解析执行的。

Java虚拟机运行的是字节码,字节码对Java来说是十六进制;本地CPU执行的是机器码(机器语言),机器码对系统来说是二进制。不过,字节码文件放在本地是0和1组成的,只是不能被本地系统解析执行,需要Java虚拟机即时编译或解释执行。

“百闻不如一见”,我们看看*.class用记事本打开会是怎么样的。

记事本

这打开是乱码的啊?这是因为以class为后缀名的字节码文件在Java中保存的是十六进制,那我们要看十六进制如何看呢?

我们可以用Sublime Text 3打开字节码文件,但打开之前Sublime Text 3需要安装HexViewer插件,才可以看十六进制的,具体安装过程可以到网上搜索。打开之后,如下图所示:

Sublime Text 3

可以看到所有的数字都是十六进制的,接下来下一步就加载到Java虚拟机上去了,具体用即时编译的还是解释执行的,或者在大项目中即时编译和解释执行都是可以共同打配合的,因为Java虚拟机在不同的场景下用的是不同的优化手段。喜欢本文的朋友,微信搜索「算法无遗策」公众号,收看更多精彩的算法动画文章

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