平台无关性和语言无关性的记录

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背景

平台无关性

语言无关性

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背景

        最近在学习Java虚拟机（JVM: Java Virtual Machine）,在学习过程中，再一次学习了JVM的平台无关性这一特性，此外也了解到了虚拟机的另外一种中立特性 --- 语言无关性，下面进行简单介绍：

平台无关性

        我们都知道Java语言一直以“一次编写，到处运行（Write Once, Run Anywhere）”著称，那么为什么Java语言可以有这样的特性呢？我们来聊一聊。

        任何语言（包括高级语言和低级语言）想要被计算机执行，都必须被最终转换成计算机可以识别的二进制格式（即：把我们编写的程序编译成二进制本地机器码 Native Code），即计算机只认识的0和1。

        假如没有JVM，我们来看看Java程序如何在计算机上运行起来：

        设想这样一个场景，小明在Windows电脑上使用Java编写了一个程序，然后使用Java语言的编译器直接把Java源代码编译成Windows操作系统和其对应的硬件平台上的二进制本地机器码（Native Code）,然后Windows电脑就可以运行我们写的程序了。如下图：

        这时小明又装了一个linux系统，他想把上面编译好的二进制字节码放到Linux系统中运行，如下图：

         那么只能针对Linux系统，再开发一个针对Linux系统上的Java语言编译器，把Java源码编译成Linux硬件平台可以识别并执行的二进制字节码指令，如下图：

        那么问题来了，如果再有另一个操作系统呢，还需要再针对这个操作系统再开发一个编译器？那么我们为什么不这样呢？如下图：

         上图说明了一件事，Java语言是平台无关性的语言，而这个平台无关性是由不同平台对应的Java虚拟机，即JVM来支撑的。换句话说，Java虽然是平台无关的，但是虚拟机（JVM）却是平台相关的，即不同操作系统需要对应不同的JVM。如下图是Oracle官网提供的不同操作系统对应的JDK，JDK里面包含了JVM：

        下面在总结下Java的平台无关性是怎么实现的。

        已经知道在计算机中真正执行的是由0和1组成的二进制文件。而我们通常开发使用的C，C++和Java等都是高级语言，如果要让计算机识别Java代码，就需要把Java开发的源程序“翻译”成二进制机器码，这个"翻译"的过程称为编译。执行编译这一过程的工具叫编译器。在Java中，要把Java代码编译成二进制字节码，需要经过两个步骤：（1）前端编译和后端编译。

        前端编译主要指和源语言有关但和目标机器无关的部分，比如我们熟悉的javac，以及Eclipse，Idea等IDE中内置的前端编译器，都是为了把xxx.java源码编译成.class字节码。

        后端编译就是将中间代码翻译成机器码，在Java中，这一步是通过JVM实现的。所以，虽然Java是平台无关的，但是虚拟机却是平台相关的，不同操心系统需要对应不同的JVM。 

语言无关性

        Java虚拟机除了具有平台无关性的特性外，还有另外一种中立特性：语言无关性。在Java技术发展之初，设计者们就曾经考虑过并实现了让其他语言运行在Java虚拟机之上的可能性，他们在发布规范文档的时候，也刻意把Java的规范拆分成了《Java语言规范》（The Java Language Specification）及《Java虚拟机规范》（The Java Virtual Machine Specification）两部分。如今，商业企业和开源机构已经在Java语言之外发展出一大批运行在Java虚拟机之上的语言，如Kotlin, Clojure, Groovy, JRuby, JPython, Scala等。

        实现语言无关性的基础仍然是虚拟机和字节码存储格式。Java虚拟机不与包括Java语言在内的任何程序语言绑定，它只与“Class 文件” 这种特定的二进制文件格式所关联，Class文件种包含了Java虚拟机指令集、符号表以及若干其它辅助信息。 

        基于安全方面的考虑，《Java虚拟机规范》种要求在Class文件必须应用许多强制性的语法和结构化约束，但图灵完备的字节码格式，保证了任意一门功能性语言都可以表示为一个能被Java虚拟机所接受的有效的Class文件。作为一个通用的、与机器无关的执行平台。任何其它语言的实现者都可以将Java虚拟机作为他们语言的运行基础，以Class文件作为他们产品的交付媒介。例如使用Java编译器可以把Java代码编译为存储字节码的Class文件，使用JRuby等其它语言的编译器一样也可以把他们的源程序代码编译成class文件。虚拟机丝毫不关心Class的来源是什么语言，它与程序之间的关系如下图：