Javac 編譯器四大核心階段深度解析：從原始碼到位元組碼

編譯流程總覽

Javac（com.sun.tools.javac.main.JavaCompiler）將 .java 轉為 .class，歷經四大階段：

1. 詞法分析 → Token 流
2. 語法分析 → 抽象語法樹 (AST)
3. 語義分析 → 註解檢查、資料流/控制流分析、解語法糖
4. 位元組碼生成 → .class 檔案

階段一：詞法分析

• 輸入：字元流
• 輸出：Token 序列（關鍵字、識別符、字面常數、運算子等）
• 實現類：com.sun.tools.javac.parser.Scanner
• 例子：int a = b + 2; → INT, IDENTIFIER(a), ASSIGN, IDENTIFIER(b), PLUS, INT_LITERAL(2), SEMICOLON

階段二：語法分析

• 任務：依 Java 語法規則將 Token 組裝成樹狀結構
• 產出：JCTree 節點構成的 AST，每個節點對應一個語法結構（類、方法、運算式、註解等）
• 實現類：com.sun.tools.javac.parser.Parser
• 關鍵點：此階段後編譯器不再直接操作原始碼，所有後續處理皆基於 AST

階段三：語義分析 —— 最複雜、最核心

分為三個子階段，入口均在 com.sun.tools.javac.comp 套件：

1. 填充符號表

• 實現：Enter 類
• 工作：遍歷 AST，將類名、方法名、欄位名等註冊到符號表（Symbol 物件），同時自動補齊預設建構子
• 跨類引用解析：遇到外部類型時遞迴解析對應 .class 或 .java

2. 註解檢查

• 實現：Attr（屬性賦值）+ Check（邏輯檢查）
• 核心檢查項：
  • 型別相容性、變數初始化檢查
  • 泛型型別推導
  • 常數摺疊：int a = 1 + 2; → AST 直接保留 3
  • Checked Exception 捕獲/拋出驗證
  • 可達性分析（return 後無死碼）

3. 資料流與控制流分析

• 入口：Flow 類
• 資料流：最終賦值檢查、final 欄位單一賦值、方法回傳型別確定性
• 控制流：
  • 死碼消除（if(false) 區塊）
  • 自動裝箱/拆箱插入
  • 解語法糖：內部類、Lambda、try-with-resources、foreach、switch 字串等 → desugar() 在 TransTypes、Lower 中完成

階段四：位元組碼生成

• 實現：com.sun.tools.javac.jvm.Gen
• 兩步走：
  1. 將方法程式碼轉為基於運算堆疊的 JVM 指令序列
  2. 依 Class 檔案格式規範輸出 .class（含常數池、方法表、屬性表等）
• 隱藏動作：實例建構器（<init>）與類建構器（<clinit>）在此階段注入 AST

註解處理器擴展機制

JDK 6+ 引入 JSR 269（javax.annotation.processing），允許在填充符號表之後、註解檢查之前介入：

• 處理器可讀取/修改/新增 AST 節點
• 若修改了 AST，編譯器回滾至「解析與填充符號表」重新開始，直到所有處理器不再修改為止
• 典型應用：Lombok、MapStruct、Dagger 編譯期程式碼生成