不错的好文章，直接调式Javac编译过程来说明怎样将.java 文件转成.class文件，这其中发生了什么。
下面我们详细了解Java前端编译：Java源代码编译成Class文件的过程；我们从官方JDK提供的前端编译器javac入手，用javac编译一些测试程序，调试跟踪javac源码，看看javac整个编译过程是如何实现的。
javac编译器
javac源码与调试
javac编译器是官方JDK中提供的前端编译器，JDK/bin目录下的javac只是一个与平台相关的调用入口，具体实现在JDK/lib目录下的tools.jar。此外，JDK6开始提供在运行时进行前端编译，默认也是调用到javac，如图：
javac是由Java语言编写的，而HotSpot虚拟机则是由C++语言编写；标准JDK中并没有提供javac的源码，而在OpenJDK中的提供；我们需要在Eclipse中调试跟踪javac源码，看整个编译过程是如何实现的。
javac编译器源码下载（JDK8）：http://hg.openjdk.java.net/jdk8u/jdk8u-dev/langtools/archive/tip.tar.bz2
javac编译器源码目录：**\src\share\classes\com\sun\tools\javac
在Eclipse新建工程导入后，可以看到javac源码的目录结构如下：
javac编译器程序入口：com.sun.tools.javac.Main类中的main()方法；
运行javac程序，先是解析命令行参数，由com.sun.tools.javac.main.Main.compile()方法处理，代码片段如下：
因为没有给参数，可看到输出的是javac用法，如下：
这就是平时我们用JDK/bin/javac的用法，更多javac选项用法请参考：http://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/unix/javac.html
调试编译文件，需要右键工程 -> Debug As -> Debug Configurations ->切换到Arguments选项卡，在Program arguments中输入我们要用javac编译的Java程序文件的路径即可；然后就可以打断点Debug运行调试了，如图：
javac编译过程
JVM规范定义了Class文件结构格式，但没有定义如何从java程序文件转化为Class文件，所以不同编译器可以有不同实现。
从javac编译器源码来看，其编译过程可以分为3个子过程：
1、解析与填充符号表过程：解析主要包括词法分析和语法分析两个过程；
2、插入式注解处理器的注解处理过程；
3、语义分析与字节码的生成过程；
如图所示（来自参考4）：
javac编译动作入口： com.sun.tools.javac.main.JavaCompiler类；
3个编译过程逻辑集中在这个类的compile()和compile2()方法；
如图所示：
javac中的访问者模式
访问者模式可以将数据结构和对数据结构的操作解耦，使得增加对数据结构的操作不需要修改数据结构，也不必修改原有的操作，而执行时再定义新的Visitor实现者就行了。
Javac经过第一步解析（词法分析和语法分析），会生成用来一棵描述程序代码语法结构的抽象语法树，每个节点都代表程序代码中的一个语法结构，包括：包、类型、修饰符、运算符、接口、返回值、甚至注释等；而后的不同编译阶段都定义了不同的访问者去处理该语法树（节点）。
了解这些更容易理解javac的编译过程实现，而后面分析过程中会再对访问者模式的实现作相关说明。
解析与填充符号表
解析：词法、语法分析
解析包括：词法分析和语法分析两个过程；
词法分析
1、概念解理
词法分析是将源代码的字符流转变为标记（Token）集合；
标记：
标记是编译过程的最小元素；
包括关键字、变量名、字面量、运算符（甚至一个”.”）等；
2、源码分析：
由com.sun.tools.javac.parser.Scanner类实现对外部提供服务；
由com.sun.tools.javac.parser.JavaTokenizer类实现具体的Token分析动作（JavaTokenizer.readToken()方法）；
Scanner.nextToken()调用JavaTokenizer.readToken()方法读取下一个Token；
返回com.sun.tools.javac.parser.Tokens.Token类实例表示的一个Token；
Scanner.nextToken()方法如下：
注意，下面语法分析时才会不断调用Scanner.nextToken()读取一个个Token进来解析。
语法分析
1、概念解理
语法分析是根据Token序列构造抽象语法树的过程；
抽象语法树（Abstract Syntax Tree,AST）：
是一种用来描述程序代码语法结构的树形表示方式；
每个节点都代表程序代码中的一个语法结构；
语法结构（Construct）包括：包、类型、修饰符、运算符、接口、返回值、甚至注释等；
2、源码分析：
由com.sun.tools.javac.parser.JavacParser类完成整个过程，该类实现com.sun.tools.javac.parser.Parser接口；
一个类文件解析产生的抽象语法树的所有内容保存在JCCompilationUnit类实例里，JCCompilationUnit类是由com.sun.tools.javac.tree.JCTree类扩展；
JCTree是个抽象类，实现了Tree接口，Tree接口里有一个”<R,D> R accept(TreeVisitor<R,D> visitor, D data)”方法用来接收访问者，所以Tree接口是访问者模式中的抽象节点元素；
JCTree类中有一个Visitor内部类，同时也是一个抽象类，作为访问者模式中的抽象访问者；
一个JCTree类实例相当于抽象语法树的一个节点，它会扩展许多类型，对应不同语法结构类型的树节点，如JCStatement，JCClassDecl，JCMethodDecl，JCBlock等等，这些类是访问者模式中的具体节点元素；
JCTree扩展的JCMethodDecl方法类型节点结构如下：
代码执行的解析过程，如下：
1）、由JavaCompiler.compile()方法调用JavaCompiler.parseFiles()方法完成参数输入的所有文件的编译；
2）、JavaCompiler.parseFiles()方法中又调用本类中的parse()方法对其中一个文件进行编译；
该方法中生成JavacParser类实例，然后调用该实例的parseCompilationUnit()方法开始进行整个文件的解析（包括”package”包名），如下：
Parser parser = parserFactory.newParser(content, keepComments(), genEndPos, lineDebugInfo); tree = parser.parseCompilationUnit();
返回的tree是JCCompilationUnit类型实例，保存了一个类文件解析产生的抽象语法树的所有内容，也可以说是抽象语法树的根节点；
3）、JavacParser.parseCompilationUnit()方法中调用JavacParser.typeDeclaration()进行文件中所有类型定义的解析；
JavacParser.typeDeclaration()又调用JavacParser.classOrInterfaceOrEnumDeclaration（）进行类或接口的解析；
如果是类又调用classDeclaration()对该类进行解析….
JCTree def = typeDeclaration(mods, docComment);
返回一个JCTree类实例表示文件中所有类型定义定义的语法树（不包括”package”包名）；
这期间会不断调用Scanner.nextToken()读取一个个Token进来解析；
3、编译测试：
下面我们用javac编译JavacTest.java文件来跟踪整个解析过程，测试文件代码如下：
package com.jvmtest; publicclassJavacTest{ privateint i; publicintgetI(){ return i; } publicvoidsetI(int i){ this.i = i; } }
对于解析JavacTest.java文件生成的抽象语法树，由返回的JCCompilationUnit类实例表示，如下图所示：
最外层节点为”com.jvmtest”包名的定义，同时它也是语法树的根节点；
再里一层是”public class JavacTest”类的定义；
再里面可以看到一个字段变量”i”的结构节点，以及两个方法”getI”和”setI”节点；
4、类实例构造函数重名为()：
先在再上面的测试程序中加入类实例构造函数：
Public JavacTest(){ }
需要注意的是，在classOrInterfaceBodyDeclaration()解析类时，如果遇到添加的类构造函数，会重名为()，如下：
如测试程序中加入类构造函数，可以看到被重命名()，但在生成的树结构上名称还是表现为”JavacTest”，如下
经过上面解析，后续所有操作都建立在抽象语法树之上，下面不会再对源码文件操作；
填充符号表
1、概念解理
符号表（Symbol Table）是由一组符号地址和符号信息构成的表格，可以想象成哈希表中K-V值的形式；
符号表登记的信息在编译的不同阶段都要用到，如：
1）、用于语义检查和产生中间代码；
2）、在目标代码生成阶段，符号表是对符号名进行地址分配的依据；
2、源码分析：
根据上一步生成的抽象语法树列表，由JavaCompiler.enterTrees()方法完成填充符号表；
由com.sun.tools.javac.comp.Enter类实现填充符号表动作，Enter类继承JCTree.Visitor内部抽象类，重写了一些visit**()方法来处理抽象语法树，作为访问者模式中的具体访问者；
符号由com.sun.tools.javac.code.Symbol抽象类表示， 实现了Element接口，Element接口里有一个accept()方法用来接收访问者，所以Element接口是访问者模式中的抽象节点元素；
Symbol类扩展成多种类型的符号，如ClassSymbol表示类的符号、MethodSymbol表示方法的符号等等，这些类是访问者模式中的具体节点元素；
Symbol类和MethodSymbol类定义如下：
publicabstractclassSymbolextendsAnnoConstructimplementsElement{ /** The kind of this symbol. * @see Kinds */public int kind; /** The flags of this symbol. /public long flags_field; /* An accessor method for the flags of this symbol. * Flags of class symbols should be accessed through the accessor * method to make sure that the class symbol is loaded. /public long flags() { return flags_field; } /* The name of this symbol in Utf8 representation. /public Name name; /* The type of this symbol. /public Type type; /* The owner of this symbol. /public Symbol owner; /* The completer of this symbol. /public Completer completer; /* A cache for the type erasure of this symbol. /public Type erasure_field; // /* The attributes of this symbol are contained in this * SymbolMetadata. The SymbolMetadata instance is NOT immutable. /protected SymbolMetadata metadata; … } /* A class for method symbols. /publicstaticclassMethodSymbolextendsSymbolimplementsExecutableElement{ /* The code of the method. /public Code code = null; /* The extra (synthetic/mandated) parameters of the method. /publicList extraParams = List.nil(); /* The captured local variables in an anonymous class /publicList capturedLocals = List.nil(); /* The parameters of the method. /publicList params = null; /* The names of the parameters /publicList savedParameterNames; /* For an attribute field accessor, its default value if any. * The value is null if none appeared in the method * declaration. */public Attribute defaultValue = null; … }
从上面可以看到它们包含了哪些信息；
代码执行的填充过程，如下：
1）、JavaCompiler.enterTrees()方法调用Enter.main()方法；
根据上一步生成的抽象语法树列表完成填充符号表，返回填充了类中所有符号的抽象语法树列表；
2）、Enter.main()方法调用中本类的complete()方法；
complete()方法先调用Enter.classEnter()方法完成填充包符号、类符号以及导入信息等；
3）、接着complete()方法还会不断调用前面生成的每个类的类符号实例的ClassSymbol.complete()方法；
ClassSymbol.complete()方法会调用到MemberEnter.complete()，以完成整个类的填充符号表；
4）、MemberEnter.complete()中会添加类的默认构造函数（如果没有任何的）；
还会调用 MemberEnter.finish()方法完成对类中字段和方法符号的填充；
等等（其实先处理注解信息）…
注意，EnterTrees()方法最终完成返回一个待处理列表（”todo” list），其实该列表还是抽象语法树列表，符号只是填充到上一步生成的抽象语法树列表中；可以从上面语法分析给出的JCMethodDecl类中看到有一个MethodSymbol类的成员变量；
3、编译测试
还用上面的JavacTest.java文件测试，其中getI()方法的符号如下（显示符号名称）：
测试JavacTest.java文件填充符号表的前后，抽象语法树列表变化（红色）如下：
4、计算方法的特征签名
其实MethodSymbol方法符号中的MethodType类型的type成员就是其特征签名；
在.MemberEnter.visitMethodDef(JCMethodDecl tree)中填充方法符号的时候计算特征签名，如下：
publicvoidvisitMethodDef(JCMethodDecl tree) { … MethodSymbol m = new MethodSymbol(0, tree.name, null, enclScope.owner); … // Compute the method type m.type = signature(m, tree.typarams, tree.params, tree.restype, tree.recvparam, tree.thrown, localEnv); … }
MethodType如下：
publicstaticclassMethodTypeextendsTypeimplementsExecutableType{ public List argtypes; public Type restype; public List thrown; /** The type annotations on the method receiver. */public Type recvtype; publicMethodType(List argtypes, Type restype, List thrown, TypeSymbol methodClass){ super(methodClass); this.argtypes = argtypes; this.restype = restype; this.thrown = thrown; } …
可以看到特征签名包含了返回值类型，其实方法特征签名在Java语言层面和JVM层面是不同的：
Java语言层面特征签名：
方法名、参数类型和参数顺序；
JVM层面特征签名：
方法名、参数类型、参数顺序和返回值类型；
这个在后面文章介绍Class文件格式再详细说明；
5、添加默认类实例构造函数、”this”类变量符号、”super”父类变量
这个阶段，编译器自动添加默认类实例构造函数、”this”类变量符号、”super”父类变量符号：
（a）、如果类中没有定义任何实例构造函数，编译器会自动添加默认的类实例构造函数；
在完成一个类的填充符号时调用：
MemberEnter.complete(Symbol sym){ … // Add default constructor if needed. if ((c.flags() & INTERFACE) == 0 && !TreeInfo.hasConstructors(tree.defs)) { … if (addConstructor) { MethodSymbol basedConstructor = nc != null ? (MethodSymbol)nc.constructor : null; JCTree constrDef = DefaultConstructor(make.at(tree.pos), c, basedConstructor, typarams, argtypes, thrown, ctorFlags, based); tree.defs = tree.defs.prepend(constrDef); } … } … }
测试JavacTest.java文件添加的实例构造函数如下：
可以看到添加的类实例构造名称为()，虽然树结构上名称还是表现为”JavacTest”；
还有添加的时候会判断当前类的类型如果不是Object类型，都会在构造函数里添加”super()；”，表示调用父类的构造函数，如下：
（b）、添加”this”类变量
在类实例作用域添加”this”符号，表示当前类实例，如下：
（c）、”super”父类变量符号
接着，在类实例作用域添加”super”符号，表示类父，如下：
3、插入式注解处理器的注解处理过程
JDK1.5后，Java语言提供了对注解（Annotation）的支持，注解和Java代码一样，都是在运行期间发挥作用；
JDK1.6中提供一组插件式注解处理器的标准API，可以实现API自定义注解处理器，干涉编译器的行为；
注解处理器可以看作编译器的插件，在编译期间对注解进行处理，可以对语法树进行读取、修改、添加任意元素；但如果有注解处理器修改了语法树，编译器将返回解析及填充符号表的过程，重新处理，直到没有注解处理器修改为止，每一次重新处理循环称为一个Round。
如hibernate Validator Annotation Process：用于校验Hibernate标签。
1、源码分析
注解处理器的初始化过程在JavaCompiler.initProcessAnnotations()方法中完成；
执行过程则是JavaCompiler.processAnnotations()方法；
如果有多个注解处理器，在JavacProcessingEnvironment.doProcessing()继续处理；
2、注解处理器实现与运行
代码实现：继承抽象类javax.annotation.processing.AbstractProcess，并覆盖abstract方法：”process()”；
运行/测试：通过javac -processor参数附带编译时的注解处理器；
这里我们没有实现注解处理器，运行javac编译JavacTest.java不会处理语法树；
语义分析与字节码生成
上面我们获得了填充了符号表的抽象语法树列表；
它能表示程序的结构，但无法保证程序的符合逻辑。
语义分析
主要任务是对结构上正确的源程序进行上下文有关性质的审查（如类型审查）；
语义分析过程分为标注检查、数据及控制流分析两个步骤；
标注检查
1、概念解理
标注检查步骤检查的内容包括变量使用前是否已被声明、变量与赋值的数据类型是否能匹配等；
还有比较重要的动作称为常量折叠；
如前面测试程序”int i;”改为”int i=1+2;”，会被折叠成字面量”3″，与”int i=3″一样，如图：
2、源码分析
主要由com.sun.tools.javac.comp.Attr类和com.sun.tools.javac.comp.Check类完成，调用关系如下图：
由JavaCompiler.attribute()入口分析整个类的语法树的标注；
到Attr.attribClassBody()分析类的主体部分，如进行所有定义的检查：
comp.Check类的实例在Attr.attribClassBody()分析中进行定义、类型等检查；
如”boolean k = 1″，最终是通过类型检查赋值数据”1″的类型”int”不是接收者”k”的类型”Boolean”的父类来确定错误，如下：
3、自动添加super()：
方法检查时，如果发现（自己定义的）类实例构造函数没有显式调用super()或this()，会添加super()的父类构造函数调用，如下：
但是，前面说过如果没有自定定义任何构造函数，前面填充符号表时，就已经添加含有super()的默认构造函数了；
4、标注检查结果
标注检查中已经使用Env类实例作为类编译信息的存储形式，它包含了一些访问上下文环境。
还是前面的测试程序，标注检查前后变化（红色）如下：
数据及控制分析
1、概念解理
数据及控制分析是对程序上下方逻辑更进一步的验证；
如检查变量的初始化、方法每个执行分支是否都有返回值、是否所有的异常都被正确处理等；
注意这阶段并不会对变量赋值；
这个时期与类加载时的数据及控制分析的目的一致，但校验范围不同；
如final修饰的局部变量：
final修饰的局部变量是在这个编译阶段处理的；
有没有final修饰符，编译出来的Class文件都一样，在常量池没有CONSTANT_Fiedref_info称号引用；
即在运行期没有影响，参数不变性由编译器在编译期保障