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[技術短文]

Java 相關的編譯技術


除了 Java 的編譯器和虛擬機器之外,還有一些相關的編譯技術,本文章試圖做一個簡單的說明。

JIT 編譯器
傳統的 Java 虛擬機器很愚蠢,將一道 bytecode 的指令翻譯成機器碼之後,馬上執行這些機器碼,執行完這批機器碼之後,就把這些機器碼丟了,接著再翻譯下一道 bytecode 的指令,繼續下去 ...。即使下次執行到以前執行過的 bytecode 指令,依然要重新翻譯成機器碼才能執行,如此一來,效率當然不好。

使用 JIT 編譯器(Just-In-Time compiler)技術的虛擬機器比較聰明,會把常常執行的部分在第一次先翻譯好放在記憶體,以後再次執行到這裡時,就不用再翻譯,直接從記憶體取出機器碼即可執行。這麼一來,只要你的記憶體夠大,JIT 編譯器的技術夠好,你的 Java bytecode 執行速度也可以逼近純編譯式的程式。

其它程式語言的編譯器
任何檔案只要符合 Java bytecode 的格式,就可以被 Java 虛擬機器執行。製造出 Java bytecode 的方式有許多種,不一定要使用 Java 語言來寫程式,才能編譯成 Java bytecode。Java 是語言也是平台,你可以不使用 Java 語言(也就是 Java 編譯器),只使用 Java 平台(也就是 Java 虛擬機器)。只要某語言有提供編譯器,能將該語言的原始碼編譯成 Java bytecode 格式,就可以在 Java 平台上執行。

據我所知,目前已經有下列語言提供相容於 Java 平台的編譯器(以英文字母順序排列):Aardappel,Ada,Agora 98,BAMBOO,Basic,Bistro,Bolero,C,C++,CLIPS,COBOL,Correlate,Dawn,E,EcmaScript,Eiffel,Foo,Forth,Fortran,Funnel,Haskel,Hojo,JavaScript,Jickle,JIF,Jinni,Lisp,LL,LLP,Logo,Luck,MINERVA,Mini,ML,Modula-2,NetRexx,Nice,Oberon-2,Pascal,PLAN,Pnuts,Prolog,PS3I,Python,Sather,Scheme,SELF,Simkin,Small Talk,Tcl,WebL,Yassl,Yoix,Yoyo。

原生編譯器
如果你不在乎 Java 程式能否跨平台,你希望 Java 程式能如同 C/C++ 一般被編譯成機器碼而非 Java bytecode,那麼你可以使用 Java 原生編譯器(native compiler)。目前已經有不少這樣的產品可以使用。

Java 原生編譯器有兩大類,一類可以把 Java 的原始碼編譯成機器碼,另一類則可以把 Java bytecode 編譯成機器碼。

反編譯與混淆器
Java bytecode 因為檔案格式簡單,資訊保留完整,且指令是最簡單的堆疊式(stack-based)架構等因素,所以很容易被反編譯(de-compilation)。反編譯指的是和編譯相反的過程,對 Java 來說,反編譯就是把 Java bytecode 轉換成 Java 原始碼的過程。

為了防止你辛苦地開發出來的 Java bytecode 被他人反編譯成原始碼,你可以透過混淆器(obfuscator)將你的 Java bytecode 轉換成更混亂的 Java bytecode,執行起來效果一樣,但是被混淆過的 Java bytecode 比較不容易被反編譯。你通常要為此付出一點代價,因為混淆過的程式執行速度通常會變慢。且混淆器只能增加反編譯的難度,不能保證你的程式一定無法被反編譯成功。畢竟道高一尺,魔高一丈,如果有人願意花許多時間和精力反編譯你的 Java bytecode,你根本就無法攔阻。

組譯與反組譯
組合語言(assembly)是一種非常接近機器碼的語言。將組合語言轉成機器碼的工具稱為組譯器(assembler),反過來將機器碼轉成組合語言的工具稱為反組譯器(dissembler)

對於 Java 虛擬機器來說,Java bytecode 就如同它的機器碼,有沒有一種語言是很接近 Java bytecode 的呢?也就是說,Java 有沒有的組合語言呢?基本上,Sun 並未定義 Java 的標準組合語言,但是有一些人定義了自己的 Java 組合語言,並提供 Java 的組譯器(甚至反組譯器)。例如 Jasmin 以及 javaa 都是 Java 組譯器。

前處理器
前處理器(pre-processor)也稱為前編譯器(pre-compiler)或前翻譯器(pre-translator),其目的在將源碼中不符合語言規範的部分轉換成符合語言規範的形式。比方說:我們可能在 Java 源碼中除了使用 Java 語言之外,還穿插使用自訂的語法。這些自訂的語法無法被 Java 編譯器處理,所以我們必須先透過一個前處理器來將自訂語法的部分轉換成 Java 語言,然後就可以交由 Java 編譯器處理。

目前有不少 Java 的前處理器,例如 iContract、SQLJ,都是用來擴充 Java 語言之用的。

最佳化工具軟體

一般來說,最佳化有兩種:
1. 讓檔案體積變小,可以節省儲存空間並加快網路傳送速度。
2. 讓執行速度變快。

對於 Java 來說,還有第三種最佳化:
3. 讓程式結構變亂,不容易被反編譯。也就是前面提到過的混淆(obfuscation)。
這三個目的之間常常互相排擠:結構變亂,通常會使得程式變慢,且體積變大;體積變小,通常會使得速度變慢,且結構變整齊;速度變快,通常會使得體積變大,且結構變整齊。


本文作者:蔡學鏞
撰文日期:07/09/01

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