【開發語言】PHP、Java、C語言的編譯執行過程

hizengzeng發表於2019-05-13
PHPJavaC語言編譯

編譯型語言和解釋型語言

從PHP，Java和C語言的編譯執行過程可以先解釋下編譯型語言和解釋型語言。

  • 編譯型語言

程式在執行之前需要一個專門的編譯過程，把程式編譯成為機器語言的檔案，執行時不需要重新翻譯，直接使用編譯的結果就行了。程式執行效率高，依賴編譯器，跨平臺性差些。如C、C++、Delphi等.

  • 解釋型語言

程式不需要編譯，程式在執行時才翻譯成機器語言，每執行一次都要翻譯一次。因此效率比較低。比如Basic語言，專門有一個直譯器能夠直接執行Basic程式，每個語句都是執行的時候才翻譯。(在執行程式的時候才翻譯，專門有一個直譯器去進行翻譯，每個語句都是執行的時候才翻譯。效率比較低，依賴直譯器，跨平臺性好.)

PHP語言編譯執行過程

下面都是鳥哥部落格的內容：深入理解PHP原理之opcode

hello.php
 <?php
   echo "Hello World";
   $a = 1 + 1;
   echo $a;
?>

Zend引擎對這個hello.php檔案進行詞法分析，語法分析，編譯成opcode，然後執行opcode。這個Zend引擎是安裝PHP時安裝的。看看這個檔案是如何執行的，會經過如下4個階段：

php hello.php

1.Scanning(Lexing) ,將PHP程式碼轉換為語言片段(Tokens)
2.Parsing, 將Tokens轉換成簡單而有意義的表示式
3.Compilation, 將表示式編譯成Opocdes
4.Execution, 順次執行Opcodes，每次一條，從而實現PHP指令碼的功能。

在作業系統中執行php命令也就是執行Zend引擎，然後Zend引擎拿到hello.php檔案
那什麼是Lexing? 學過編譯原理的同學都應該對編譯原理中的詞法分析步驟有所瞭解，Lex就是一個詞法分析的依據表。 Zend/zend_language_scanner.c會根據Zend/zend_language_scanner.l(Lex檔案),來輸入的 PHP程式碼進行詞法分析，從而得到一個一個的“詞”，PHP4.2開始提供了一個函式叫token_get_all,這個函式就可以講一段PHP程式碼 Scanning成Tokens；
如果用這個函式處理我們開頭提到的PHP程式碼，將會得到如下結果:

Array
(
    [0] => Array
        (
           [0] => 367
           [1] =>  Array
        (
            [0] => 316
            [1] => echo
        )
    [2] => Array
        (
            [0] => 370
            [1] =>
        )
    [3] => Array
        (
            [0] => 315
            [1] => "Hello World"
        )
    [4] => ;
    [5] => Array
        (
            [0] => 370
            [1] =>
        )
    [6] => =
    [7] => Array
        (
            [0] => 370
            [1] =>
        )
    [8] => Array
        (
            [0] => 305
            [1] => 1
        )
    [9] => Array
        (
            [0] => 370
            [1] =>
        )
    [10] => +
    [11] => Array
        (
            [0] => 370
            [1] =>
        )
    [12] => Array
        (
            [0] => 305
            [1] => 1
        )
    [13] => ;
    [14] => Array
        (
            [0] => 370
            [1] =>
        )
    [15] => Array
        (
            [0] => 316
            [1] => echo
        )
    [16] => Array
        (
            [0] => 370
            [1] =>
        )
    [17] => ;
)

分析這個返回結果我們可以發現，原始碼中的字串，字元，空格，都會原樣返回。每個原始碼中的字元，都會出現在相應的順序處。而，其他的比如標籤，操作符，語句，都會被轉換成一個包含倆部分的Array: Token ID (也就是在Zend內部的改Token的對應碼，比如,T_ECHO,T_STRING)，和原始碼中的原來的內容。
接下來，就是Parsing階段了，Parsing首先會丟棄Tokens Array中的多餘的空格，然後將剩餘的Tokens轉換成一個一個的簡單的表示式

> 1.echo a constant string
> 2.add two numbers together
> 3.store the result of the prior expression to a variable
> 4.echo a variable

1.Opcode數字的標識，指明瞭每個op_array的操作型別，比如add , echo
2.結果 存放Opcode結果
3.運算元1 給Opcode的運算元
4.運算元2
5.擴充套件值 1個整形用來區別被過載的操作符

然後就改Compilation階段了，它會把Tokens編譯成一個個op_array, 每個op_array包含如下5個部分
其中opcode數字識別符號對應zend_vm_opcode.h中的指令
參考laruence：opcode列表
比如，我們的PHP程式碼會被Parsing成:

* ZEND_ECHO     `Hello World`
* ZEND_ADD       ~0 1 1
* ZEND_ASSIGN  !0 ~0
* ZEND_ECHO     !0

Java語言編譯執行過程

JVM執行程式的過程 ：
I.載入.class檔案
II.管理並分配記憶體
III.執行垃圾收集
JRE（java執行時環境）包含JVM的java程式的執行環境 [1]
JVM是Java程式執行的容器,但是他同時也是作業系統的一個程式,因此他也有他自己的執行的生命週期,也有自己的程式碼和資料空間。
JVM在整個jdk中處於最底層,負責與作業系統的互動,用來遮蔽作業系統環境,提供一個完整的Java執行環境,因此也就虛擬計算機.作業系統裝入JVM是通過jdk中Java.exe來完成,通過下面4步來完成JVM環境。
1.建立JVM裝載環境和配置
2.裝載JVM.dll
3.初始化JVM.dll並掛接到JNIENV(JNI呼叫介面)例項
4.呼叫JNIEnv例項裝載並處理class類。

C語言編譯執行過程

參考原文：C語言編譯過程詳解
平時開發中，大家可能一行程式碼就編譯好了原始碼，如下：

$ gcc hello.c # 編譯
$ ./a.out # 執行
hello world!

這個過程如此熟悉，以至於大家覺得編譯事件很簡單的事。事實真的如此嗎？我們來細看一下C語言的編譯過程到底是怎樣的。

上述gcc命令其實依次執行了四步操作：
1.預處理(Preprocessing)
2.編譯(Compilation)
3.彙編(Assemble)
4.連結(Linking)

示例程式碼：
// test.c
#include <stdio.h>
#include "mymath.h"// 自定義標頭檔案
int main(){
    int a = 2;
    int b = 3;
    int sum = add(a, b); 
    printf("a=%d, b=%d, a+b=%d
", a, b, sum);
}

標頭檔案定義：
// mymath.h
#ifndef MYMATH_H
#define MYMATH_H
int add(int a, int b);
int sum(int a, int b);
#endif

標頭檔案實現：
// mymath.c
int add(int a, int b){
    return a+b;
}
int sub(int a, int b){
    return a-b;
}

預處理階段
預處理用於擴充套件原始碼，插入所有的#include命令指定的檔案，並擴充套件所有用#define宣告指定的巨集。預處理之後得到的仍然是文字檔案，但檔案體積會大很多。gcc的預處理是前處理器cpp來完成的，你可以通過如下命令對test.c進行預處理：

gcc -E -I./inc test.c -o test.i

或者直接呼叫cpp命令

cpp test.c -I./inc -o test.i

上述命令中-E是讓編譯器在預處理之後就退出，不進行後續編譯過程；-I指定標頭檔案目錄，這裡指定的是我們自定義的標頭檔案目錄；-o指定輸出檔名。

編譯(Compilation)階段

gcc -S -I./inc test.c -o test.s

上述命令中-S讓編譯器在編譯之後停止，不進行後續過程。編譯過程完成後，將生成程式的彙編程式碼test.s，這也是文字檔案，內容如下：

// test.c彙編之後的結果test.s
    .file   "test.c"
    .section    .rodata
.LC0:
    .string "a=%d, b=%d, a+b=%d
"
    .text
    .globl  main
    .type   main, @function
main:
.LFB0:
    .cfi_startproc
    pushl   %ebp
    .cfi_def_cfa_offset 8
    .cfi_offset 5, -8
    movl    %esp, %ebp
    .cfi_def_cfa_register 5
    andl    $-16, %esp
    subl    $32, %esp
    movl    $2, 20(%esp)
    movl    $3, 24(%esp)
    movl    24(%esp), %eax
    movl    %eax, 4(%esp)
    movl    20(%esp), %eax
    movl    %eax, (%esp)
    call    add 
    movl    %eax, 28(%esp)
    movl    28(%esp), %eax
    movl    %eax, 12(%esp)
    movl    24(%esp), %eax
    movl    %eax, 8(%esp)
    movl    20(%esp), %eax
    movl    %eax, 4(%esp)
    movl    $.LC0, (%esp)
    call    printf
    leave
    .cfi_restore 5
    .cfi_def_cfa 4, 4
    ret 
    .cfi_endproc
.LFE0:
    .size   main, .-main
    .ident  "GCC: (Ubuntu 4.8.2-19ubuntu1) 4.8.2"
    .section    .note.GNU-stack,"",@progbits

彙編(Assemble)階段

彙編過程將上一步的彙編程式碼轉換成機器碼(machine code)，這一步產生的檔案叫做目標檔案，是二進位制格式。gcc彙編過程通過as命令完成：

$ as test.s -o test.o

等價於：

gcc -c test.s -o test.o

這一步會為每一個原始檔產生一個目標檔案。因此mymath.c也需要產生一個mymath.o檔案

連結(Linking)階段

連結過程將多個目標文以及所需的庫檔案(.so等)連結成最終的可執行檔案(executable file)。
命令大致如下：

$ ld -o test.out test.o inc/mymath.o ...libraries...

幾種語言的編譯執行本質區別：

PHP：執行時編譯為opcode，然後zend引擎執行opcode
Java：先編譯成位元組碼，然後由JVM虛擬機器執行位元組碼
C：直接編譯成可執行檔案，然後由作業系統執行可以行檔案

參考資料：
http://tina.reeze.cn/book/
http://www.laruence.com/2008/…
http://rednaxelafx.iteye.com/…
http://www.vcgood.com/archive…
http://www.cnblogs.com/Carpen…
http://blog.csdn.net/cutesour…
http://www.nowamagic.net/libr…

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