Java简介
Java是一种计算机编程语言，拥有跨平台、面向对象、泛型编程的特性，广范应用于企业级Web应用开发和移动应用开发。
1991 年Sun公司的James Gosling等人开始开发名称为 Oak 的语言。希望用于控制嵌入在有线电视交换盒、PDA等的微处理器
- 1994年将Oak语言更名为Java
- 1998年JDK1.2时，更名为Java 2 Platform
分为标准版J2SE,企业版J2EE,微型版J2ME - 2000年5月8日，JDK1.3发布
- 2000年5月29日，JDK1.4发布
- 2001年6月5日，NOKIA宣布，到2003年将出售1亿部支持Java的手机
- 2001年9月24日，J2EE1.3发布
- 2002年2月26日，J2SE1.4发布，自此Java的计算能力有了大幅提升
- Java在1.5版本时，做了重大改变，太阳公司并1.5版本重命名为Java 5.0
- Java 既安全、可移植，又可跨平台，而且人们发现它能够解决Internet 上的大型应用问题
- Internet使Java成为网上最流行的编程语言
- Java对Internet的影响也意义深远
- B/S的兴起 & C/S的没落
语言特性
Java之所以被开发，是要达到以下五个目的：
- 应当使用面向对象程序设计方法学
- 应当允许同一程序在不同的计算机平台执行
- 应当包括内建的对计算机网络的支持
- 应当被设计成安全地执行远端代码
- 应当易于使用，并借鉴以前那些面向对象语言（如C++）的长处。
Java技术主要分成几个部分：Java语言、Java运行环境、类库。一般情况下说Java时并不区分指的是哪个部分。
Java特点
java语言有下面一些特点 :简单、面向对象、分布式、解释执行、鲁棒、安全、体系结构中立、可移植、高性能、多线程以及动态性。
1.面向对象
Java语言的设计集中于对象及其接口 ,它提供了简单的类机制以及动态的接口模型。对象中封装了它的状态变量以及相应的方法 ,实现了模块化和信息隐藏 ;而类则提供了一类对象的原型 ,并且通过继承机制 ,子类可以使用父类所提供的方法 ,实现了代码的复用。
2.分布性
Java是面向网络的语言。通过它提供的类库可以处理 TCP/IP协议 ,用户 可以通过 URL地址在网络上很方便地访问其它对象。
3.简单性
Java语言是一种面向对象的语言 ,它通过提供最基本的方法来完成指定的任务 ,只需理解一些基本的概念 ,就可以用它编写出适合于各种情况的应用程序。 Java略去了运算符重载、多重继承等模糊的概念 ,并且通过实现自动垃圾收集大大简化了程序设计者的内存管理工作。另外 ,Java也适合于在小型机上运行 ,它的基本解释器及类的支持只有 40KB左右 ,加上标准类库和线程的支持也只有 215KB左右。库和线程的支持也只有 215KB左右。
4.鲁棒性
Java在编译和运行程序时 ,都要对可能出现的问题进行检查 ,以消除错误的产生。它提供自动垃圾收集来进行内存管理 ,防止程序员在管理内存时容易产生的错误。通过集成的面向对象的例外处理机制 ,在编译时,Java提示出可能出现但未被处理的例外 ,帮助程序员正确地进行选择以防止系统的崩溃。另外,Java在编译时还可捕获类型声明中的许多常见错误 ,防止动态运行时不匹配问题的出现。
5.可移植性
与平台无关的特性使 Java程序可以方便地被移植到网络上的不同机器。同时 ,Java的类库中也实现了与不同平台的接口 ,使这些类库可以移植。另外,Java编译器是由 Java语言实现的 ,Java运行时系统由标准 C实现 ,这使得Java系统本身也具有可移植性。
6.体系结构中立
Java解释器生成与体系结构无关的字节码指令 ,只要安装了 Java运行时系统 ,Java程序就可在任意的处理器上运行。这些字节码指令对应于 Java虚拟机中的表示 ,Java解释器得到字节码后 ,对它进行转换 ,使之能够在不同的平台运行。
7.安全性
用于网络、分布环境下的 Java必须要防止病毒的入侵。 Java不支持指针,一切对内存的访问都必须通过对象的实例变量来实现 ,这样就防止程序员使用"特洛伊 "木马等欺骗手段访问对象的私有成员 ,同时也避免了指针操作中容易产生的错误。
8.解释执行
Java解释器直接对 Java字节码进行解释执行。字节码本身携带了许多编译时信息 ,使得连接过程更加简单。
9.动态性
Java的设计使它适合于一个不断发展的环境。在类库中可以自由地加入新的方法和实例变量而不会影响用户程序的执行。并且 Java通过接口来支持多重继承 ,使之比严格的类继承具有更灵活的方式和扩展性。
10.多线程
多线程机制使应用程序能够并行执行 ,而且同步机制保证了对共享数据的正确操作。通过使用多线程 ,程序设计者可以分别用不同的线程完成特定的行为 ,而不需要采用全局的事件循环机制 ,这样就很容易地实现网络上的实时交互行为。
11.高性能
和其它解释执行的语言如 BASIC、 TCL不同 ,Java字节码的设计使之能很容易地直接转换成对应于特定CPU的机器码 ,从而得到较高的性能。
JVM虚拟机
虚拟机是一种抽象化的计算机，通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。Java虚拟机有自己完善的硬体架构，如处理器、堆栈、寄存器等，还具有相应的指令系统。Java虚拟机屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息，使得Java程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可以在多种平台上不加修改地运行。
指令系统
JVM指令系统同其他计算机的指令系统极其相似。Java指令也是由操作码和操作数两部分组成。操作码为8位二进制数，操作数进紧随在操作码的后面，其长度根据需要而不同。操作码用于指定一条指令操作的性质（在这里我们采用汇编符号的形式进行说明），如iload表示从存储器中装入一个整数，anewarray表示为一个新数组分配空间，iand表示两个整数的"与"，ret用于流程控制，表示从对某一方法的调用中返回。当长度大于8位时，操作数被分为两个以上字节存放。JVM采用了"big endian"的编码方式来处理这种情况，即高位bits存放在低字节中。这同 Motorola及其他的RISC CPU采用的编码方式是一致的，而与Intel采用的"little endian "的编码方式即低位bits存放在低位字节的方法不同。Java指令系统是以Java语言的实现为目的设计的，其中包含了用于调用方法和监视多线程系统的指令。Java的8位操作码的长度使得JVM最多有256种指令，java1.6及以上版本已使用了160多种操作码。
寄存器
所有的CPU均包含用于保存系统状态和处理器所需信息的寄存器组。如果虚拟机定义较多的寄存器，便可以从中得到更多的信息而不必对栈或内存进行访问，这有利于提高运行速度。然而，如果虚拟机中的寄存器比实际CPU的寄存器多，在实现虚拟机时就会占用处理器大量的时间来用常规存储器模拟寄存器，这反而会降低虚拟机的效率。针对这种情况，JVM只设置了4个最为常用的寄存器。它们是：pc程序计数器optop操作数栈顶指针frame当前执行环境指针 vars指向当前执行环境中第一个局部变量的指针 所有寄存器均为32位。pc用于记录程序的执行。optop,frame和vars用于记录指向Java栈区的指针。
栈结构
作为基于栈结构的计算机，Java栈是JVM存储信息的主要方法。当JVM得到一个Java字节码应用程序后，便为该代码中一个类的每一个方法创建一个栈框架，以保存该方法的状态信息。每个栈框架包括以下三类信息：局部变量，执行环境，操作数栈。
局部变量用于存储一个类的方法中所用到的局部变量。vars寄存器指向该变量表中的第一个局部变量。
执行环境用于保存解释器对Java字节码进行解释过程中所需的信息。它们是：上次调用的方法、局部变量指针和操作数栈的栈顶和栈底指针。执行环境是一个执行一个方法的控制中心。例如：如果解释器要执行iadd（整数加法），首先要从frame寄存器中找到当前执行环境，而后便从执行环境中找到操作数栈，从栈顶弹出两个整数进行加法运算，最后将结果压入栈顶。
操作数栈用于存储运算所需操作数及运算的结果。
碎片回收堆
Java类的实例所需的存储空间是在堆上分配的。解释器具体承担为类实例分配空间的工作。解释器在为一个实例分配完存储空间后，便开始记录对该实例所占用的内存区域的使用。一旦对象使用完毕，便将其回收到堆中。在Java语言中，除了new语句外没有其他方法为一对象申请和释放内存。对内存进行释放和回收的工作是由Java运行系统承担的。这允许Java运行系统的设计者自己决定碎片回收的方法。在SUN公司开发的Java解释器和Hot Java环境中，碎片回收用后台线程的方式来执行。这不但为运行系统提供了良好的性能，而且使程序设计人员摆脱了自己控制内存使用的风险。
存储区
JVM有两类存储区：常量缓冲池和方法区。常量缓冲池用于存储类名称、方法和字段名称以及串常量。方法区则用于存储Java方法的字节码。对于这两种存储区域具体实现方式在JVM规格中没有明确规定。这使得Java应用程序的存储布局必须在运行过程中确定，依赖于具体平台的实现方式。JVM是为Java字节码定义的一种独立于具体平台的规格描述，是Java平台独立性的基础。尽管JVM还存在一些限制和不足，有待于进一步的完善，但无论如何，JVM的思想是成功的。对比分析：如果把Java原程序想象成我们的C++原程序，Java原程序编译后生成的字节码就相当于C++原程序编译后的80x86的机器码（二进制程序文件），JVM虚拟机相当于80x86计算机系统,Java解释器相当于80x86CPU。在80x86CPU上运行的是机器码，在Java解释器上运行的是Java字节码。
Java解释器相当于运行Java字节码的“CPU”，但该“CPU”不是通过硬件实现的，而是用软件实现的。Java解释器实际上就是特定的平台下的一个应用程序。只要实现了特定平台下的解释器程序，Java字节码就能通过解释器程序在该平台下运行，这是Java跨平台的根本。当前，并不是在所有的平台下都有相应Java解释器程序，这也是Java并不能在所有的平台下都能运行的原因，它只能在已实现了Java解释器程序的平台下运行。
Java代码编译过程
代码编译是由Javac编译器来完成，
Javac是一种编译器，能将一种语言规范转化成另外一种语言规范，通常编译器都是将便于人理解的语言规范转化成机器容易理解的语言规范，如C/C++或者汇编语言都是将源代码直接编译成目标机器码，这个目标机器代码是CPU直接执行的指令集合。这些指令集合也就是底层的一种语言规范。
Javac的编译器也是将Java这种对人非常友好的编程语言编译成对对所有机器都非常友好的一种语言。这种语言不是针对某种机器或某个平台。怎么消除不同种类，不同平台之间的差异这个任务就有JVM来完成，而Javac的任务就是将Java源代码语言转化为JVM能够识别的一种语言，然后由JVM将JVM语言再转化成当前这个机器能够识别的机器语言。
Javac的任务就是将Java源代码编译成Java字节码，也就是JVM能够识别的二进制代码，从表面看是将.java文件转化为.class文件。而实际上是将Java源代码转化成一连串二进制数字，这些二进制数字是有格式的，只有JVM能够真确的识别他们到底代表什么意思。
编译器把一种语言规范转化为另一种语言规范的这个过程需要哪些步骤？回答这个问题需要参照《编译原理》，总结过程如下：
1）词法分析：读取源代码，一个字节一个字节的读进来，找出这些词法中我们定义的语言关键词如：if、else、while等，识别哪些if是合法的哪些是不合法的。这个步骤就是词法分析过程。
词法分析的结果：就是从源代码中找出了一些规范化的token流，就像人类语言中，给你一句话你要分辨出哪些是一个词语，哪些是标点符号，哪些是动词，哪些是名词。
2）语法分析：就是对词法分析中得到的token流进行语法分析，这一步就是检查这些关键词组合在一起是不是符合Java语言规范。如if的后面是不是紧跟着一个布尔型判断表达式。
语法分析的结果：就是形成一个符合Java语言规定的抽象语法树，抽象语法树是一个结构化的语法表达形式，它的作用是把语言的主要词法用一个结构化的形式组织在一起。这棵语法树可以被后面按照新的规则再重新组织。
3）语义分析：语法分析完成之后也就不存在语法问题了，语义分析的主要工作就是把一些难懂的，复杂的语法转化成更简单的语法。就如难懂的文言文转化为大家都懂的百话文，或者是注释一下一些不懂的成语。
语义分析结果：就是将复杂的语法转化为简单的语法，对应到Java就是将foreach转化为for循环，还有一些注释等。最后生成一棵抽象的语法树，这棵语法树也就更接近目标语言的语法规则。
4）字节码生成：将会根据经过注释的抽象语法树生成字节码，也就是将一个数据结构转化为另外一个数据结构。就像将所有的中文词语翻译成英文单词后按照英文语法组装文英文语句。代码生成器的结果就是生成符合java虚拟机规范的字节码。
从上面的描述中我们知道编译就是将一种语言通过分析分解，再按照一定的方式先形成一个简单的框架（将Java源文件的字节流转化为对应的token流）然后在通过详细的分析按照一定的规定在这个框架里添加东西使这个token流形成更加结构化的语法树（就是将前面生成的token流中的一个个单词组装成一句话），但是这棵树离我们的目标—Java字节码还有点差距，所以再进行语义分析使那颗粗糙的树更加完整完善（给类添加默认的构造函数，检查变量在使用前有没有初始化，检查操作变量类型是否匹配），然后javac编译器调用com.sun.tools.javac.jvm.Gen类遍历这棵语法树将java方法中的代码块转换成符合JVM语法的命令形式的二进制数据。按照JVM的文件组织格式将字节码输出到以class为扩展名的文件中，也就是生成最终的java字节码。词法分析就是将关键词组织成token流即检查源码中的的关键词是否真确并组织成token流，而语法分析就是检查源码是否符合java语法规范并将词组成语句。语义分析就是简化复杂的添加缺少的，检查变量类型是否合法。代码生成器就是遍历这棵树生成符合JVM规范的代码。
