1. 概述
编程语言根据其抽象级别进行分类。我们区分高级语言(Java、Python、JavaScript、C++、Go)、低级语言(汇编程序)，最后是机器代码。
每个高级语言代码，如Java，都需要翻译成机器本机代码才能执行。这个翻译过程可以是编译，也可以是解释。但是，还有第三种选择。寻求利用这两种方法的组合。
在本教程中，我们将探讨如何在多个平台上编译和执行Java代码。我们将了解一些Java和JVM设计细节。这些将帮助我们确定Java是编译型、解释型还是两者的混合。
2. 编译与解释
让我们首先研究编译型和解释型编程语言之间的一些基本差异。
2.1 编译型语言
编译语言(C++、Go)通过编译程序直接转换为机器本机代码。
它们在执行前需要一个明确的构建步骤。这就是为什么我们每次更改代码时都需要重新构建程序。
编译语言往往比解释语言更快、更高效。但是，他们生成的机器代码是特定于平台的。
2.2 解释型语言
另一方面，在解释型语言(Python、JavaScript)中，没有构建步骤。相反，解释器在执行程序时对程序的源代码进行操作。
解释型语言曾被认为比编译型语言慢得多。但是，随着即时(JIT)编译的发展，性能差距正在缩小。然而，我们应该注意，JIT编译器在程序运行时将代码从解释语言转换为机器本机代码。
此外，我们可以在Windows、Linux或Mac等多种平台上执行解释型语言代码。解释型代码与特定类型的CPU体系结构没有关联。
3. 一次编写随处运行
Java和JVM在设计时就考虑到了可移植性。因此，当今大多数流行的平台都可以运行Java代码。
这听起来像是在暗示Java是一种纯粹的解释型语言。但是，在执行之前，需要将Java源代码编译成字节码。字节码是JVM原生的一种特殊机器语言。JVM在运行时解释并执行此代码。
为支持Java的每个平台构建和定制的是JVM，而不是我们的程序或库。
现代JVM也有一个JIT编译器。这意味着JVM在运行时优化我们的代码以获得与编译型语言类似的性能优势。
4. Java编译器
javac命令行工具将Java源代码编译成包含平台无关字节码的Java类文件：
$ javac HelloWorld.java
源代码文件具有.java后缀，而包含字节码的类文件则使用.class后缀生成。
5. Java虚拟机
编译后的类文件(字节码)可以由Java虚拟机(JVM)执行：
$ java HelloWorld
Hello Java!
现在让我们更深入地了解一下JVM体系结构。我们的目标是确定字节码如何在运行时转换为机器本机代码。
5.1 架构概述
JVM由五个子系统组成：
- 类加载器
- JVM内存
- 执行引擎
- 本机方法接口
- 本机方法库
5.2 类加载器
除了加载之外，类加载器还执行链接和初始化。这包括：
- 验证字节码是否存在任何安全漏洞
- 为静态变量分配内存
- 用原始引用替换符号内存引用
- 将原始值分配给静态变量
- 执行所有静态代码块
5.3 执行引擎
执行引擎子系统负责读取字节码，将其转换为机器本机代码并执行。
三个主要组件负责执行，包括解释器和编译器：
执行引擎使用本机方法接口(JNI)来调用本地库和应用程序。
5.4 即时编译器
解释器的主要缺点是每次调用方法时都需要解释，这可能比编译的本机代码慢。Java使用JIT编译器来克服这个问题。
JIT编译器并没有完全取代解释器。执行引擎仍然使用它。但是，JVM根据调用方法的频率使用JIT编译器。
JIT编译器将整个方法的字节码编译为机器本机代码，因此可以直接重用。与标准编译器一样，会生成中间代码、优化，然后生成机器本机代码。
探查器是JIT编译器的一个特殊组件，负责查找热点。JVM根据运行时收集的分析信息决定对哪些代码进行JIT编译。
这样做的一个效果是，Java程序在几个执行周期后可以更快地执行其工作。一旦JVM了解了热点，它就能够创建本地代码，让事情运行得更快。
6. 性能比较
让我们来看看JIT编译是如何提高Java的运行时性能的。
6.1 斐波那契性能测试
我们将使用一个简单的递归方法来计算第n个斐波那契数：
private static int fibonacci(int index) {
if (index <= 1) {
return index;
}
return fibonacci(index-1) + fibonacci(index-2);
}
为了衡量重复方法调用的性能优势，我们将运行fibonacci方法100次：
for (int i = 0; i < 100; i++) {
long startTime = System.nanoTime();
int result = fibonacci(12);
long totalTime = System.nanoTime() - startTime;
System.out.println(totalTime);
}
首先，我们将正常编译和执行Java代码：
$ java Fibonacci.java
然后，我们将在禁用JIT编译器的情况下执行相同的代码：
$ java -Djava.compiler=NONE Fibonacci.java
最后，我们将在C++和JavaScript中实现并运行相同的算法以进行比较。
6.2 性能测试结果
让我们来看看运行斐波那契递归测试后测量的平均性能(以纳秒为单位)：
- 使用JIT编译器的Java：2726ns–最快
- 不使用JIT编译器的Java：17965ns–慢559%
- 没有O2优化的C++：9435ns-慢246%
- 具有O2优化的C++：3639ns-慢33%
- JavaScript：22998ns–慢743%
在此示例中，使用JIT编译器，Java的性能提高了500%以上。但是，JIT编译器确实需要运行几次才能启动。
有趣的是，Java的性能比C++代码高33%，即使C++在启用O2优化标志的情况下编译也是如此。正如预期的那样，当Java仍然被解释时，C++在前几次运行中表现得更好。
Java的性能也优于使用Node运行的等效JavaScript代码，后者也使用JIT编译器。结果显示性能提高了700%以上。主要原因是Java的JIT编译器启动速度更快。
7. 需要考虑的事项
从技术上讲，可以将任何静态编程语言代码直接编译为机器代码。也可以逐步解释任何编程代码。
与许多其他现代编程语言类似，Java使用编译器和解释器的组合。目标是利用两全其美的优势，实现高性能和平台中立的执行。
在本文中，我们重点解释了HotSpot中的工作原理。HotSpot是Oracle默认的开源JVM实现。GraalVM也基于HotSpot，因此适用相同的原则。
如今，大多数流行的JVM实现都使用解释器和JIT编译器的组合。但是，他们使用的方法可能并不同。
8. 总结
在本文中，我们研究了Java和JVM的内部结构。我们的目标是确定Java是编译型语言还是解释型语言。我们探索了Java编译器和JVM执行引擎的内部结构。
基于此，我们得出结论：Java使用这两种方法的组合。
我们用Java编写的源代码在构建过程中首先被编译成字节码。JVM然后解释生成的字节码以供执行。但是，JVM还在运行时使用JIT编译器来提高性能。
与往常一样，本教程的完整源代码可在GitHub上获得。
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