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Java 编译与运行过程

理解 Java 的编译和运行过程，有助于你更好地理解 Java 的工作原理，以及如何解决编译和运行中的问题。本章将详细介绍从源代码到程序执行的完整过程。

Java 源码 → 字节码 → JVM 执行​

完整流程​

Java 源代码 (.java)
    ↓
javac 编译器
    ↓
字节码 (.class)
    ↓
JVM（Java 虚拟机）
    ↓
机器码（JIT 编译）
    ↓
CPU 执行
    ↓
程序运行结果

详细步骤​

1. 编写源代码​

创建 .java 文件，编写 Java 代码：

// HelloWorld.java
public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello, World!");
    }
}

2. 编译（Compilation）​

使用 javac 编译器将源代码编译为字节码：

javac HelloWorld.java

编译过程：

  • 词法分析：将源代码分解为标记（tokens）
  • 语法分析：检查语法是否正确
  • 语义分析：检查类型、作用域等
  • 代码生成：生成字节码文件

结果：生成 HelloWorld.class 文件（字节码）

3. 加载（Loading）​

JVM 加载 .class 文件：

  • 类加载器：读取字节码文件
  • 验证：检查字节码的正确性
  • 准备：为类变量分配内存
  • 解析：将符号引用转换为直接引用

4. 执行（Execution）​

JVM 执行字节码：

  • 解释执行：逐条解释字节码指令
  • JIT 编译：将热点代码编译为机器码
  • 运行：CPU 执行机器码

javac 与 java 命令使用​

javac 命令​

作用：编译 Java 源代码为字节码

基本用法​

# 编译单个文件
javac HelloWorld.java

# 编译多个文件
javac File1.java File2.java File3.java

# 编译目录下所有文件
javac *.java

# 编译带包的文件
javac com/example/HelloWorld.java

常用选项​

# -d：指定输出目录
javac -d out src/HelloWorld.java

# -cp 或 -classpath：指定类路径
javac -cp lib/*.jar src/HelloWorld.java

# -encoding：指定源文件编码
javac -encoding UTF-8 HelloWorld.java

# -source：指定源代码版本
javac -source 17 HelloWorld.java

# -target：指定目标字节码版本
javac -target 17 HelloWorld.java

# -verbose：显示详细信息
javac -verbose HelloWorld.java

编译示例​

# 示例 1：基本编译
javac HelloWorld.java
# 生成：HelloWorld.class

# 示例 2：指定输出目录
javac -d classes src/HelloWorld.java
# 生成：classes/HelloWorld.class

# 示例 3：编译多个文件
javac -d out src/**/*.java
# 编译 src 目录下所有 .java 文件到 out 目录

java 命令​

作用：运行编译后的 Java 程序

基本用法​

# 运行类（无包）
java HelloWorld

# 运行带包的类
java com.example.HelloWorld

# 传递参数
java HelloWorld arg1 arg2

常用选项​

# -cp 或 -classpath：指定类路径
java -cp .:lib/* com.example.HelloWorld

# -Xmx：设置最大堆内存
java -Xmx512m HelloWorld

# -Xms：设置初始堆内存
java -Xms256m HelloWorld

# -version：显示版本信息
java -version

# -verbose：显示详细信息
java -verbose:class HelloWorld

# -D：设置系统属性
java -Dkey=value HelloWorld

运行示例​

# 示例 1：基本运行
java HelloWorld
# 输出：Hello, World!

# 示例 2：传递参数
java HelloWorld hello world
# args[0] = "hello", args[1] = "world"

# 示例 3：指定类路径
java -cp .:lib/*:out com.example.HelloWorld

类路径（classpath）概念​

什么是类路径​

类路径（classpath） 是 JVM 查找类文件的路径。当 JVM 需要加载一个类时，会在类路径中搜索对应的 .class 文件。

类路径的组成​

类路径可以包含：

  • 目录：包含 .class 文件的目录
  • JAR 文件：Java 归档文件
  • ZIP 文件：压缩文件

设置类路径​

方法 1：使用 -cp 选项​

# 单个路径
java -cp /path/to/classes HelloWorld

# 多个路径（Windows 用分号，Linux/macOS 用冒号）
java -cp .:lib/*:out HelloWorld

# Windows 示例
java -cp .;lib\*;out HelloWorld

方法 2：使用环境变量​

Windows：

set CLASSPATH=.;lib\*;out
java HelloWorld

Linux/macOS：

export CLASSPATH=.:lib/*:out
java HelloWorld

方法 3：使用清单文件（MANIFEST.MF）​

在 JAR 文件中设置：

Manifest-Version: 1.0
Class-Path: lib/dependency1.jar lib/dependency2.jar
Main-Class: com.example.HelloWorld

类路径的查找顺序​

JVM 按以下顺序查找类：

  1. Bootstrap 类路径：JVM 核心类（rt.jar 等）
  2. Extension 类路径：扩展类
  3. 用户类路径：通过 -cp 或 CLASSPATH 指定的路径

类路径示例​

示例 1：单文件程序​

project/
└── HelloWorld.java
javac HelloWorld.java
java HelloWorld
# 类路径：当前目录（.）

示例 2：带包的程序​

project/
└── src/
    └── com/
        └── example/
            └── HelloWorld.java
# 编译
javac -d out src/com/example/HelloWorld.java

# 运行（从 out 目录运行）
cd out
java com.example.HelloWorld

# 或指定类路径
java -cp out com.example.HelloWorld

示例 3：使用外部库​

project/
├── src/
│   └── Main.java
├── lib/
│   ├── library1.jar
│   └── library2.jar
└── out/
    └── Main.class
# 编译
javac -cp lib/* -d out src/Main.java

# 运行
java -cp out:lib/* Main

常见编译与运行问题​

编译问题​

问题 1：找不到符号（Cannot find symbol）​

错误信息：

error: cannot find symbol
  symbol:   variable x
  location: class HelloWorld

原因：

  • 变量未声明
  • 类未导入
  • 拼写错误

解决：

// ❌ 错误
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(x);  // x 未声明
    }
}

// ✅ 正确
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int x = 10;  // 先声明
        System.out.println(x);
    }
}

问题 2：类找不到（Class not found）​

错误信息：

error: cannot find symbol
  symbol:   class Scanner
  location: class HelloWorld

原因：未导入类

解决：

// ❌ 错误
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
    }
}

// ✅ 正确
import java.util.Scanner;  // 添加导入

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
    }
}

问题 3：编码问题​

错误信息：

error: unmappable character for encoding ASCII

原因：源文件编码与编译器编码不匹配

解决：

# 指定编码编译
javac -encoding UTF-8 HelloWorld.java

运行问题​

问题 1：找不到或无法加载主类​

错误信息：

Error: Could not find or load main class HelloWorld

原因：

  • 类路径不正确
  • 类名拼写错误
  • 包名问题

解决：

# 错误：包含 .class
java HelloWorld.class

# 正确：不包含扩展名
java HelloWorld

# 错误：包名问题
java HelloWorld  # 如果类在包中

# 正确：使用完全限定名
java com.example.HelloWorld

问题 2：类路径问题​

错误信息：

Exception in thread "main" java.lang.NoClassDefFoundError: com/example/HelloWorld

原因：类路径设置不正确

解决：

# 检查类文件是否存在
ls -R out/

# 使用正确的类路径运行
java -cp out com.example.HelloWorld

# 或进入正确的目录
cd out
java com.example.HelloWorld

问题 3：主方法找不到​

错误信息：

Error: Main method not found in class HelloWorld

原因：

  • main 方法签名错误
  • main 方法不存在

解决：

// ❌ 错误：缺少 static
public void main(String[] args) { }

// ✅ 正确：完整的 main 方法
public static void main(String[] args) { }

调试技巧​

1. 检查文件结构​

# 查看文件结构
tree
# 或
find . -name "*.java" -o -name "*.class"

2. 使用 -verbose 选项​

# 编译时显示详细信息
javac -verbose HelloWorld.java

# 运行时显示类加载信息
java -verbose:class HelloWorld

3. 检查类文件​

# 使用 javap 反编译查看类信息
javap HelloWorld
javap -c HelloWorld  # 显示字节码

实际示例​

示例 1：单文件程序​

// Calculator.java
public class Calculator {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 10;
        int b = 20;
        int sum = a + b;
        System.out.println("和：" + sum);
    }
}

编译和运行：

javac Calculator.java
java Calculator
# 输出：和：30

示例 2：多文件程序​

文件 1：Student.java

package com.example;

public class Student {
    private String name;
    
    public Student(String name) {
        this.name = name;
    }
    
    public void introduce() {
        System.out.println("我是 " + name);
    }
}

文件 2：Main.java

package com.example;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Student student = new Student("张三");
        student.introduce();
    }
}

编译和运行：

# 编译（需要编译所有依赖的类）
javac com/example/*.java

# 或分别编译
javac com/example/Student.java
javac com/example/Main.java

# 运行
java com.example.Main
# 输出：我是 张三

示例 3：使用外部库​

项目结构：

project/
├── src/
│   └── Main.java
├── lib/
│   └── commons-lang3-3.12.0.jar
└── out/

Main.java：

import org.apache.commons.lang3.StringUtils;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String text = "  hello world  ";
        String trimmed = StringUtils.trim(text);
        System.out.println("原文本：[" + text + "]");
        System.out.println("处理后：[" + trimmed + "]");
    }
}

编译和运行：

# 编译（指定类路径）
javac -cp lib/commons-lang3-3.12.0.jar -d out src/Main.java

# 运行（指定类路径）
java -cp out:lib/commons-lang3-3.12.0.jar Main

小结​

Java 编译与运行过程：

  • 编译过程：源代码 → 字节码（javac）
  • 运行过程：字节码 → JVM 执行（java）
  • 类路径：JVM 查找类的路径
  • 常见问题：找不到符号、类路径错误、主方法问题

关键要点：

  • javac 编译源代码为字节码
  • java 运行字节码
  • 类路径告诉 JVM 在哪里找类
  • 包名对应目录结构
  • 注意编码和路径问题

理解了编译和运行过程，你就能更好地解决开发中的问题。在下一章，我们将开始学习 Java 的语法基础。