原子类
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提示
Java代码的执行效率真的比C++等编译型语言低吗？
从本节开始，我们进入专栏的JVM模块。JVM模块分四部分讲解，它们分别是：编译执行、内存模型、垃圾回收、JVM实战。
在专栏的第一节中，我们讲到，高级语言可以粗略的分为三类：编译型语言、解释型语言、混合型语言，其中，Java属于混合型语言。混合型语言也叫做半解释型语言，它融合了编译型语言和解释型语言的特点，既兼顾了可移植性，又兼顾了执行效率。本节，我们就先粗略介绍一下Java的编译执行的整个过程，其中就包括前端编译、类加载、解释执行、JIT编译执行、AOT编译这5部分内容。在后面的几节中，我们对其中较复杂的类加载、JIT编译再进行详细讲解。
我们经常听说，Java语言的执行效率没有C/C++语言高，为什么这么说呢？这样的说法是否是事实呢？带着这些问题，我们开始今天的学习。
一、前端编译
前端编译指的是将.java文件编译成.class文件（字节码）的过程，由javac编译器来完成。之所以叫前端编译，主要是为了跟JIT编译作区分。实际上，前端编译的过程跟编译型语言中编译的过程类似，它们都需要经过词法分析、语法分析、语义分析等经典的编译过程。两者的区别在于，Java前端编译的结果为字节码，编译型语言中的编译结果为机器码。除此之外，Java前端编译还做了一些特殊的工作：注解处理和解语法糖。接下来，我们重点看下注解处理和解语法糖，对于词法分析、语法分析、语义分析，它们属于编译原理中所讲的内容，这里我们就不再展开深入讲解，你可以查看编译原理书籍来了解。
1）注解处理
从JDK6开始，javac编译器开始支持JSR269（Pluggable Annotation Processing API）规范。我们只需要按照这个规范来开发注解插件（插件包含定义注解、使用注解、以及对应的注解处理器三部分内容），那么，javac编译器在执行前端编译时，就会调用注解插件执行相应的注解处理器代码。
我们在开发中经常用到的Lombook插件，便是按照JSR269规范开发的注解插件。在编译代码时，javac编译器会调用Lombook插件的注解处理器，注解处理器根据@getter、@setter等注解，为类、成员变量生成getter、setter等方法。Lombook插件中定义的注解大部分都是SOURCE级别的，也就是只存在于源码中。当代码编译成字节码之后，这些注解便没有存在的意义了。毕竟JVM并不关心getter、setter方法来自于程序员手敲，还是Lombook注解。
2）解语法糖
Java作为一种高级语言，从一开始就特别重视开发效率（易用），而非一味追求执行效率（性能）。这跟C/C++语言正好相反，这也是两类语言使用场景的重要区别依据。Java更适合做业务系统开发，C/C++语言更适合偏底层的系统级开发。
Java为了提高开发效率，提供了很多语法糖。所谓语法糖，指的是对已经存在的基本语法的二次封装，目的是提高易用性，比如泛型、自动装箱拆箱、for-each遍历、内部类等等都是语法糖。在执行前端编译时，编译器会将语法糖解封装为基本语法。也就是说，字节码并不包含语法糖，JVM也不会感知到语法糖。语法糖仅存在于源码中。
接下来，我们依次来看下这些语法糖。
对于泛型来说，泛型只存在于源码中，在编译时会进行类型擦除，也就是说，List<Integer>和List<String>在字节码中都是List，里面存储的是Object类型的数据，字节码中并不存在使用两个尖括号指定类型的语法。泛型中的类型仅仅是编译器做类型检查所用。这也是Java中的泛型被称为伪泛型的原因。
自动装箱和拆箱是为了方便基本类型和包装类互相转换。如下所示，字面量12是int基本类型的，当赋值给包装类Integer对象时，便会触发自动装箱操作，创建一个Integer类型的对象，然后赋值给变量iobj。实际上，自动装箱其底层相当于执行了Integer类的valueof()方法。反过来，当把包装类对象iobj赋值给基本类型变量i时，便会触发自动拆箱操作，将iobj中的数据取出，然后赋值给变量i。自动拆箱底层相当于执行了Integer类的intValue()方法。
Integer iobj = 12; 底层实现为：Integer iobj = Integer.valueof(12);
int i = iobj; 底层实现为：int i = iobj.intValue();
for-each遍历也叫做增强for循环，底层依赖迭代器来实现。如下代码所示。
List<String> arr = Arrays.asList("xiao", "zheng", "ge");
// for-each循环遍历等价于下面的迭代器遍历
for (String s : arr) {
System.out.println(s);
}
// 迭代器遍历
Iterator<String> itr = arr.iterator();
while (itr.hasNext()) {
System.out.println(itr.next());
}
内部类也是一种语法糖。当编译成字节码之后，外部类编译为A.class，内部类编译为A$B.class，匿名内部类编译为A$1.class，均为独立的类。
public class A { // A.class
public class B {} //内部类->A$B.class
public void f() {
Thread t1 = new Thread(new Runnable() { //匿名内部类->A$1.class
@Override
public void run() {
System.out.println("I am in anonymous inner class.");
}
});
}
}
二、类加载
在Java应用程序执行的过程中，类的字节码是按需加载到内存中的。当第一次创建某个类的对象，或者调用某个类的方法时，这个类就会被加载到内存中，之后便一直保存在内存中。类加载的过程又可以细分为验证、准备、解析、初始化等几个步骤，并且，类的加载遵从双亲委派规则，不同的类由不同的classLoader加载器来加载。对于类加载的详细介绍，我们留在后面的章节中进行。
我们拿以下代码举例来看下，类的字节码格式。
public class Demo {
private String greeting= "hello";
public String greet(String name) {
return greeting;
}
}
我们将上述Demo类，经过javac编译器编译为Demo.class文件之后，再利用javap工具对Demo.class进行反编译，得到的结果如下所示。
在以上字节码结构中，方法表中存储的是各个函数的字节码，字段表中存储的是类的成员变量信息。这两个部分以及前面的魔数、版本号、访问标志、类、父类、接口信息等都很好理解。唯一比较复杂的就是常量池。常量池中包含的内容非常多，主要分为两类：字面量和符号引用。上述代码中的“hello”便是字符串字面量。而符号引用是编译原理中的概念，包括这个类所涉及到的类、接口、方法、成员变量的名称和描述符。当在执行代码时，虚拟机需要根据符号引用，找到所引用的类、接口、方法等的真实内存存储地址，然后跳转执行。
三、解释执行
对于C/C++这样的编译型语言，代码会事先被编译成机器指令（可执行文件），然后再一股脑儿交给CPU来执行。在执行时，CPU面对是已经编译好的机器指令，直接逐条执行即可。而对于Java语言来说，经过前端编译之后的.class文件，加载到内存之后，仍然为字节码格式，无法被CPU直接执行。JVM虚拟机需要将字节码逐条取出，边解释为机器码，边交由CPU执行。
我们举个例子解释一下。如下代码所示。虚拟机从main()函数开始执行，当执行到Demo类对象的创建语句时，虚拟机发现内存中没有Demo类的字节码信息，于是，就通过类加载器在classpath对应的路径下查找Demo.class文件，并将其加载到内存中。之后，虚拟机根据类的字节码在堆中创建demo对象。当虚拟机执行demo.greet(“wangzheng”)方法时，虚拟机根据对象demo中的类指针（请参看第9节对象的内存结构），找到内存中的Demo类，然后在类的方法表中查找greet()函数对应的字节码，最后逐句解释执行。
public class App {
public static void main(String[] args) {
Demo demo = new Demo();
demo.greet("wangzheng");
}
}
上述执行流程，如下图所示。
四、JIT编译
解释执行需要在执行的过程中，将字节码解释为机器码，再行交由CPU执行。边解释边执行，显然会影响到程序的执行效率，这也是在Java语言发明之初，被认为执行效率没有编译型语言（比如C/C++）高的原因。随着Java语言的演进，为了解决解释执行的执行效率低的问题，Java引入了JIT（Just-in-Time）编译（也叫做即时编译或者运行时编译。），效率已经在很多场景下接近C++等编译型语言。
对于一些经常运行的热点代码，比如多次调用的方法或者多次执行的循环，JIT编译器在代码的运行过程中，将其编译为机器代码并存储下来，当下次执行这些热点代码时，虚拟机直接将对应的机器码交由CPU执行即可，不需要边解释边执行，执行效率匹敌编译型语言。
实际上，JIT编译器还可以在运行期收集代码的运行情况，在进行编译时针对性的做优化，生成更加高效的机器码，这种编译优化称为动态编译优化。而C/C++编译型语言的编译优化，只发生在运行前的编译时期，无法利用运行信息做优化，这种编译优化称为静态编译优化。这也是Java语言在性能上有可能超车C/C++编译型语言的地方。
默认情况下，虚拟机运行于混合模式，解释执行和JIT编译执行共存，当然，我们也可以使用-Xint JVM参数强制虚拟机运行于解释模式，仅支持解释执行，也可以使用-Xcomp强制虚拟机运行于编译模式，仅支持JIT编译执行。我们可以使用-version命令查看虚拟机的工作模式。如下所示。
五、AOT编译
实际上，跟JIT编译相对应的编译方法称作AOT编译（Ahead Of Time Compile），也叫做提前编译或者运行前编译。C/C++等编译型语言中的编译便是AOT编译，在运行前将代码编译成机器码。实际上，Java除了支持JIT编译之外，也支持AOT编译，只是相对来说用的不多而已。
不过，Java中的AOT编译跟C/C++等编译型语言中的编译有些许不同。Java AOT编译尽管不支持“一次编译，到处运行”，但仍然支持“一次编写，到处运行”，代码的可移植性完全由AOT编译器来负责。针对不同的操作系统，我们使用不同的AOT编译器，生成不同的机器码，而对于C/C++等编译型语言，代码的可移植性完全由程序员来负责，很难做到“一次编写，到处运行”。
接下来，我们再来思考这样一个问题：既然AOT编译可以在运行前将代码编译成机器码，为什么Java还执着于在运行的过程中执行JIT编译呢？
实际上，编译包含两部分内容，一部分是基本的编译操作，把代码编译成字节码、机器码等，另一部分是编译优化。AOT编译中进行的编译优化为静态编译优化，JIT编译中进行的编译优化为动态编译优化。相比静态编译优化，动态编译优化有很多优势，可以基于运行时的统计信息，进行一些比较激进的优化，比如根据运行时的统计信息，直接移除执行概率比较小的代码分支，如果在实际的运行中，万一需要执行被移除的代码分支，虚拟机会退回到使用原始的中间码来解释执行。只要退回解释执行的概率足够低，这种激进优化就是值得的，带来的性能提升就是非常可观的。而这种激进优化进行的前提是依据运行时的统计信息，因此，静态编译优化是无法进行的。这就是Java执着于JIT编译而非AOT编译的原因。
不过，JIT编译相对于AOT编译有一定的优势，并不代表使用JIT编译的Java语言的性能就比使用AOT编译的C++语言的性能好。毕竟，这种编译优化的优势在实际的应用过程中并不是特别明显。而且，编程语言之间的性能，除了受编译优化的影响之外，还有其他很多影响因素，比如内存布局、内存访问、内存管理等。
六、课后思考题
除了本节讲到的语法糖，你还知道有哪些语法糖？底层都是依赖哪些基本语法实现的？