第4章_平台无关性

gong_yz大约 12 分钟

1、Java如何实现的平台无关性的

1.1 什么是平台无关性

平台无关性就是一种语言在计算机上的运行不受平台的约束，一次编译，到处执行（Write Once ,Run Anywhere）。

也就是说，用Java创建的可执行二进制程序，能够不加改变的运行于多个平台。

1.2 平台无关性好处

作为一门平台无关性语言，无论是在自身发展，还是对开发者的友好度上都是很突出的。

因为其平台无关性，所以Java程序可以运行在各种各样的设备上，尤其是一些嵌入式设备，如打印机、扫描仪、传真机等。随着5G时代的来临，也会有更多的终端接入网络，相信平台无关性的Java也能做出一些贡献。

对于Java开发者来说，Java减少了开发和部署到多个平台的成本和时间。真正的做到一次编译，到处运行。

1.3 平台无关性的实现

对于Java的平台无关性的支持，就像对安全性和网络移动性的支持一样，是分布在整个Java体系结构中的。其中扮演者重要的角色的有Java语言规范、Class文件、Java虚拟机（JVM）等。

1.4 编译原理基础

1.4.1 前端编译和后端编译

讲到Java语言规范、Class文件、Java虚拟机就不得不提Java到底是是如何运行起来的。

我们在Java代码的编译与反编译那些事儿中介绍过，在计算机世界中，计算机只认识0和1，所以，真正被计算机执行的其实是由0和1组成的二进制文件。

但是，我们日常开发使用的C、C++、Java、Python等都属于高级语言，而非二进制语言。所以，想要让计算机认识我们写出来的Java代码，那就需要把他"翻译"成由0和1组成的二进制文件。这个过程就叫做编译。负责这一过程的处理的工具叫做编译器。

在深入分析Java的编译原理中我们介绍过，在Java平台中，想要把Java文件，编译成二进制文件，需要经过两步编译，前端编译和后端编译：

前端编译主要指与源语言有关但与目标机无关的部分。Java中，我们所熟知的javac的编译就是前端编译。除了这种以外，我们使用的很多IDE，如eclipse，idea等，都内置了前端编译器。主要功能就是把.java代码转换成.class代码。

这里提到的.class代码，其实就是Class文件。

后端编译主要是将中间代码再翻译成机器语言。Java中，这一步骤就是Java虚拟机来执行的。

所以，我们说的，Java的平台无关性实现主要作用于以上阶段。如下图所示：

我们从后往前介绍一下这三位主演：Java虚拟机、Class文件、Java语言规范。

1.4.2 Java虚拟机

所谓平台无关性，就是说要能够做到可以在多个平台上都能无缝对接。但是，对于不同的平台，硬件和操作系统肯定都是不一样的。

对于不同的硬件和操作系统，最主要的区别就是指令不同。比如同样执行a+b，A操作系统对应的二进制指令可能是10001000，而B操作系统对应的指令可能是11101110。那么，想要做到跨平台，最重要的就是可以根据对应的硬件和操作系统生成对应的二进制指令。

而这一工作，主要由我们的Java虚拟机完成。虽然Java语言是平台无关的，但是JVM却是平台有关的，不同的操作系统上面要安装对应的JVM。

上图是Oracle官网下载JDK的指引，不同的操作系统需要下载对应的Java虚拟机。

有了Java虚拟机，想要执行a+b操作，A操作系统上面的虚拟机就会把指令翻译成10001000，B操作系统上面的虚拟机就会把指令翻译成11101110。

ps：图中的Class文件中内容为mock内容

所以，Java之所以可以做到跨平台，是因为Java虚拟机充当了桥梁。他扮演了运行时Java程序与其下的硬件和操作系统之间的缓冲角色。

1.4.3 字节码

各种不同的平台的虚拟机都使用统一的程序存储格式——字节码（ByteCode）是构成平台无关性的另一个基石。Java虚拟机只与由字节码组成的Class文件进行交互。

我们说Java语言可以Write Once ,Run Anywhere。这里的Write其实指的就是生成Class文件的过程。

因为Java Class文件可以在任何平台创建，也可以被任何平台的Java虚拟机装载并执行，所以才有了Java的平台无关性。

1.4.4 Java语言规范

已经有了统一的Class文件，以及可以在不同平台上将Class文件翻译成对应的二进制文件的Java虚拟机，Java就可以彻底实现跨平台了吗？

其实并不是的，Java语言在跨平台方面也是做了一些努力的，这些努力被定义在Java语言规范中。

比如，Java中基本数据类型的值域和行为都是由其自己定义的。而C/C++中，基本数据类型是由它的占位宽度决定的，占位宽度则是由所在平台决定的。所以，在不同的平台中，对于同一个C++程序的编译结果会出现不同的行为。

举一个简单的例子，对于int类型，在Java中，int占4个字节，这是固定的。

但是在C++中却不是固定的了。在16位计算机上，int类型的长度可能为两字节；在32位计算机上，可能为4字节；当64位计算机流行起来后，int类型的长度可能会达到8字节。（这里说的都是可能哦！）

通过保证基本数据类型在所有平台的一致性，Java语言为平台无关性提供强了有力的支持。

1.5 小结

对于Java的平台无关性的支持是分布在整个Java体系结构中的。其中扮演着重要角色的有Java语言规范、Class文件、Java虚拟机等。

Java语言规范
- 通过规定Java语言中基本数据类型的取值范围和行为
Class文件
- 所有Java文件要编译成统一的Class文件
Java虚拟机
- 通过Java虚拟机将Class文件转成对应平台的二进制文件等

Java的平台无关性是建立在Java虚拟机的平台有关性基础之上的，是因为Java虚拟机屏蔽了底层操作系统和硬件的差异。

1.6 语言无关性

其实，Java的无关性不仅仅体现在平台无关性上面，向外扩展一下，Java还具有语言无关性。

前面我们提到过。JVM其实并不是和Java文件进行交互的，而是和Class文件，也就是说，其实JVM运行的时候，并不依赖于Java语言。

时至今日，商业机构和开源机构已经在Java语言之外发展出一大批可以在JVM上运行的语言了，如Groovy、Scala、Jython等。之所以可以支持，就是因为这些语言也可以被编译成字节码（Class文件）。而虚拟机并不关心字节码是有哪种语言编译而来的。详见牛逼了，教你用九种语言在JVM上输出HelloWorld：https://www.hollischuang.com/archives/2938open in new window

2、JVM还支持哪些语言

2.1 前言

我们在《深入分析Java的编译原理》https://www.hollischuang.com/archives/2322open in new window 中提到过，为了让Java语言具有良好的跨平台能力，Java独具匠心的提供了一种可以在所有平台上都能使用的一种中间代码——字节码（ByteCode）。

有了字节码，无论是哪种平台（如Windows、Linux等），只要安装了虚拟机，都可以直接运行字节码。

同样，有了字节码，也解除了Java虚拟机和Java语言之间的耦合。这话可能很多人不理解，Java虚拟机不就是运行Java语言的么？这种解耦指的是什么？

其实，目前Java虚拟机已经可以支持很多除Java语言以外的语言了，如Kotlin、Groovy、JRuby、Jython、Scala等。之所以可以支持，就是因为这些语言也可以被编译成字节码。而虚拟机并不关心字节码是有哪种语言编译而来的。

经常使用IDE的开发者可能会发现，当我们在Intelij IDEA中，鼠标右键想要创建Java类的时候，IDE还会提示创建其他类型的文件，这就是IDE默认支持的一些可以运行在JVM上面的语言，没有提示的，可以通过插件来支持。

目前，可以直接在JVM上运行的语言有很多，今天介绍其中比较重要的九种。每种语言通过一段『HelloWorld』代码进行演示，看看不同语言的语法有何不同。

2.2 支持语言

Kotlin

Kotlin是一种在Java虚拟机上运行的静态类型编程语言，它也可以被编译成为JavaScript源代码。Kotlin的设计初衷就是用来生产高性能要求的程序的，所以运行起来和Java也是不相上下。Kotlin可以从 JetBrains InteilliJ Idea IDE这个开发工具以插件形式使用。

Hello World In Kotlin

fun main(args: Array<String>) {
    println("Hello, world!")
}

Groovy

Apache的Groovy是Java平台上设计的面向对象编程语言。它的语法风格与Java很像，Java程序员能够很快的熟练使用 Groovy，实际上，Groovy编译器是可以接受完全纯粹的Java语法格式的。

使用Groovy的一个重要特点就是使用类型推断，即能够让编译器能够在程序员没有明确说明的时候推断出变量的类型。Groovy可以使用其他Java语言编写的库。Groovy的语法与Java非常相似，大多数Java代码也匹配Groovy的语法规则，尽管可能语义不同。

Hello World In Groovy

static void main(String[] args) {
    println('Hello, world!');
}

Scala

Scala是一门多范式的编程语言，设计初衷是要集成面向对象编程和函数式编程的各种特性。

Scala经常被我们描述为多模式的编程语言，因为它混合了来自很多编程语言的元素的特征。但无论如何它本质上还是一个纯粹的面向对象语言。它相比传统编程语言最大的优势就是提供了很好并行编程基础框架措施了。Scala代码能很好的被优化成字节码，运行起来和原生Java一样快。

Hello World In Scala

object HelloWorld {
    def main(args: Array[String]) {
       System.out.println("Hello, world!");
    }
 }

Jruby

JRuby是用来桥接Java与Ruby的，它是使用比Groovy更加简短的语法来编写代码，能够让每行代码执行更多的任务。就和Ruby一样，JRuby不仅仅只提供了高级的语法格式。它同样提供了纯粹的面向对象的实现，闭包等等，而且JRuby跟Ruby自身相比多了很多基于Java类库可以调用，虽然Ruby也有很多类库，但是在数量以及广泛性上是无法跟Java标准类库相比的。

Hello World In Jruby

puts 'Hello, world!'

Jython

Jython，是一个用Java语言写的Python解释器。Jython能够用Python语言来高效生成动态编译的Java字节码。

Hello World In Jython

print "Hello, world!"

Fantom

Fantom是一种通用的面向对象编程语言，由Brian和Andy Frank创建，运行在Java Runtime Environment，JavaScript和.NETopen in new window Common Language Runtime上。其主要设计目标是提供标准库API，以抽象出代码是否最终将在JRE或CLR上运行的问题。

Fantom是与Groovy以及JRuby差不多的一样面向对象的编程语言，但是悲剧的是Fantom无法使用Java类库，而是使用它自己扩展的类库。

Hello World In Fantom

class Hello {
    static Void main() { echo("Hello, world!") }
}

Clojure

Clojure是Lisp编程语言在Java平台上的现代、函数式及动态方言。与其他Lisp一样，Clojure视代码为数据且拥有一套Lisp宏系统。

虽然Clojure也能被直接编译成Java字节码，但是无法使用动态语言特性以及直接调用Java类库。与其他的JVM脚本语言不一样，Clojure并不算是面向对象的。

Hello World In Clojure

(defn -main [& args]
    (println "Hello, World!"))

Rhino

Rhino是一个完全以Java编写的JavaScript引擎，目前由Mozilla基金会所管理。

Rhino的特点是为JavaScript加了个壳，然后嵌入到Java中，这样能够让Java程序员直接使用。其中Rhino的JavaAdapters能够让JavaScript通过调用Java的类来实现特定的功能。

Hello World In Rhino

print('Hello, world!')

Ceylon

Ceylon是一种面向对象，强烈静态类型的编程语言，强调不变性，由Red Hat创建。 Ceylon程序在Java虚拟机上运行，可以编译为JavaScript。语言设计侧重于源代码可读性，可预测性，可扩展性，模块性和元编程性。

Hello World In Ceylon

shared void run() {
    print("Hello, world!");
}

2.3 总结

好啦，以上就是目前主流的可以在JVM上面运行的9种语言。加上Java正好10种。如果你是一个Java开发，那么有必要掌握以上9中的一种，这样可以在一些有特殊需求的场景中有更多的选择。推荐在Groovy、Scala、Kotlin中选一个。

第4章_平台无关性

# 1、Java如何实现的平台无关性的

# 1.1 什么是平台无关性

# 1.2 平台无关性好处

# 1.3 平台无关性的实现

# 1.4 编译原理基础

# 1.4.1 前端编译和后端编译

# 1.4.2 Java虚拟机

# 1.4.3 字节码

# 1.4.4 Java语言规范

# 1.5 小结

# 1.6 语言无关性

# 2、JVM还支持哪些语言

# 2.1 前言

# 2.2 支持语言

# 2.3 总结