虚拟机栈概述

• 由于跨平台性的设计，Java 的指令都是根据栈来设计的。不同平台 CPU 架构不同，所有不能设计为基于寄存器的。

• 优点是跨平台，指令集小，编译器容易实现，缺点是性能下降，实现同样的功能需要更多的指令。

内存中的栈和堆

• 栈解决程序的运行问题，即程序如何执行，或者说如何处理数据。堆解决的是数据存储的问题，即数据怎么放、放在哪儿。

虚拟机栈的基本内容

• Java 虚拟机栈是什么？

  • Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack），早期也叫 Java 栈。每个线程在创建时，都会创建一个虚拟机栈，其内部保存一个个的栈帧（Stack Frame），对应者一次次的 Java 方法调用。
  • 是线程私有的

• 生命周期

  • 生命周期和线程一致。

• 作用

  • 主管 Java 程序的运行，它保存方法的局部变量(8种基本数据类型、对象的引用地址)、部分结果，并参与方法的调用和返回。
  • 局部变量 vs 成员变量（或属性）
  • 基本数据类型 VS 引用类型变量（类、数据、接口）

• 栈的特点（优点）

  • 栈是一种快速有效的分配存储方式，访问速度仅次于程序计数器。
  • JVM 直接对 Java 栈的操作只有两个：
    • 每个方法执行，伴随着进栈（入栈、压栈）
    • 执行结束后的出栈工作
  • 对于栈来说不存在垃圾回收问题。

• 栈中可能出现的异常

  • Java 虚拟机规范允许Java 栈的大小是动态的或者是固定不变的。
    • 如果采用固定大小的 Java 虚拟机栈，那每一个线程的 Java 虚拟机栈容量可以在线程创建的时候独立选定。如果线程请求分配的栈容量超过 Java 虚拟机栈允许的最大容量， Java 虚拟机将会抛出一个 StackOverflowError 异常。
    • 如果 Java 虚拟机栈可以动态扩展，并且在尝试扩展的时候无法申请到足够的内存，或者在创建新的线程时没有足够的内存去创建对应的虚拟机栈，那 Java 虚拟机将会抛出一个 OutOtMemoryError 异常。

• 设置栈内存大小

  • 我们可以使用参数 -Xss 来设置线程的最大栈空间，栈的大小直接决定了函数调用的最大可达深度。
  • eg: Xss256k

栈中存储什么

• 每个线程都有自己的栈，栈中的数据都是以**栈帧（Stack Frame）**的格式存在。
• 在这个线程上正在执行的每个方法都各自对应着一个栈帧（Stack Frame）。
• 栈帧是一个内存区块，是一个数据集，维系着方法在执行过程中的各种数据信息。

栈运行原理

• JVM 直接对 Java 栈的操作只有两个，就是对栈帧的压栈和出栈，遵循 FILO、LIFO 原则。

• 在一条活动线程中，一个时间点上，只会有一个活动的栈帧。即只有当前正在执行的方法的栈帧（栈顶栈帧）是有效的，这个栈帧被称为当前栈帧（Current Frame），与当前栈帧相对应的方法就是当前方法（Current Method），定义这个方法的类就是当前类（Current Class）。

• 执行引擎运行的字节码指令只针对当前栈帧进行操作。

• 如果在该方法中调用了其方法，对应的新的栈帧会被创建出来，放在栈的顶端，成为新的当前栈。
  

• 不同线程中所包含的栈帧是不允许存在相互引用的，即不可能在一个栈帧之中引用另外一个线程的栈帧。

• 如果当前方法调用了其他方法，方法返回之际，当前栈帧会传回此方法的执行结果给前一个栈帧，接着，虚拟机会丢弃当前栈帧，使得前一个栈帧重新成为当前栈帧。

• Java 方法有两种返回函数的方式，一种是正常的函数返回，使用return指令，另外一种是抛出异常，不管使用哪种方式，都会导致栈帧被弹出。

栈帧的内部结构

• 局部变量表（Local Variables）
• 操作数栈（Operand Stack)（或表达式栈）
• 动态链接（Dynamic Linking）（或指向运行时常量池的方法引用）
• 方法返回地址（Return Address）（或方法正常退出或者异常退出的定义）
• 一些附加信息
  

局部变量表（Local variables）

• 局部变量表也被称之为局部变量数组或者本地变量表

• 定义为一个数字数组，主要用于存储方法参数和定义在方法体内的局部变量，这些数据类型包括各类基本数据类型、对象引用（Reference），以及 returnAddress 类型。

• 由于局部变量表是建立在线程的栈上，是线程私有的数据，因此不存在数据安全问题。

• 局部变量表所需的容量大小是在编译期确定下来的，并保存在方法的 Code 属性的 maximum local variables 数据项中。在方法运行期间是不会改变局部变量表的大小的。

• 方法嵌套调用的次数由栈的大小决定。一般来说，栈越大，方法嵌套调用次数越多。对一个函数而言，它的参数和局部变量越多，使得局部变量表膨胀，它的栈帧就会越大，以满足方法调用所需传递的信息增大的需求。进而函数调用就会占有更多的栈空间，导致其嵌套调用次数就会减少。

• 局部变量表中的变量只在当前方法调用中有效。在方法执行时，虚拟机通过使用局部变量表完成参数值到参数变量列表的传递过程。当方法调用结束之后，随着方法栈的销毁，局部变量表也会随之销毁。

关于slot的理解

• 局部变量表，最基本的存储单元是 slot（变量槽）

• 局部变量表中存放编译期可知的各种基本数据类型（8种），引用类型、 returnAddress 类型的变量。

• 在局部变量表里，32位以内的类型只占有一个 slot（包括 returnAddress 类型）,64位的类型（long 和 double）占用两个 Slot。

  • byte、short、char 在存储前被转化为 int,boolean 也被转换为 int，0表示 false，非0表示 true。
  • long 和 double 则占据两个 Slot。
    

• JVM 会为局部变量表中的每一个 slot 都分配一个访问索引， 通过这个索引即可成功的访问到局部变量表中指定的局部变量值。

• 当一个实例方法被调用的时候，它的方法参数和方法体内部定义的局部变量就会按照顺序被复制到局部变量表中的每一个slot上。

• 如果需要访问局部变量表中一个64bit的局部变量值时，只需要使用前一个索引即可。（比如：访问 long 或 double 类型变量。

• 如果当前栈是由构造方法或者实例方法创建的，那么该对象引用 this 将会存放在 index 为0的 slot 处，其余的参数按照参数表顺序继续排列。

slot 的重复利用

• 栈帧中的局部变量表中的槽位是可以重用的，如果一个局部变量过了其作用域，那么在其作用域之后申明的新的局部变量就很有可能会复用过期局部变量的槽位，从而达到节省资源的目的。

局部变量与静态变量的对比

• 参数表分配完毕之后，再根据方法内定义的变量的顺序和作用域分配。
• 我们知道类变量表有两次初始化的机会，一次是在“准备阶段”，执行系统初始化，对类变量设置零值，另一次则是在“初始化”阶段，赋予程序员在代码中定义的出事值。
• 和类变量初始化不同的是，局部变量表不存在系统初始化的过程，这意味着一旦定义了局部变量则必须人为的初始化，否则无法使用。

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public void test(){
    int i;
    System.out.println(i);
}

这样的代码是错误的，没有赋值不能使用。

补充说明

• 在栈帧中，与性能调优关系最为密切的部分就是前面提到的局部变量表。在方法执行时，虚拟机使用局部变量表完成方法的传递。
• 局部变量表中的变量也是重要的垃圾回收根节点，只要被局部变量表中直接或间接引用的对象都不会被回收。

操作数栈（Operand Stack）

• 每一个独立的栈帧中除了包含局部变量表之外，还包含一个后进先出(Last-In_-First-Out)的操作数栈，也可以称之为表达式栈(Expression Stack)

• 操作数栈，在方法执行过程中，根据字节码指令，在栈中写入数据或提取数据，即入栈/出栈。

  • 某些字节码指令将值压入操作数栈，其余的字节码指令将操作数取出栈，使用他们后再把结果压入栈。
  • 比如：执行复制、交换、求和等操作。

• 操作数栈，主要用于保存计算过程的中间结果，同时作为计算过程中变量临时的存储空间。

• 操作数栈就是 JVM 执行引擎的一个工作区，当一个方法刚开始执行的时候，一个新的栈帧也会随之被创建出来，这个方法的操作数栈是空的。

• 每一个操作数栈都会拥有一个明确的栈深度用于存储数值，其所需的最大深度在编译期就定义好了，保存在方法的 Code 属性中，为 max__stack的值。

• 栈中的任何一个元素都是可以任意的 Java 数据类型。

  • 32 bit 的类型占用一个栈单位深度
  • 64 bit 的类型占用两个栈单位深度

• 操作数栈并非采用访问索引的方式来进行数据访问的，而是只能通过标准的入栈和出栈操作来完成一次数据访问。

• 如果被调用的方法带有返回值的话，其返回值将会被压入当前栈帧的操作数栈中，并更新pc寄存器中下一条需要执行的字节码指令。

• 操作数栈中元素的数据类型必须与字节码指令的序列严格匹配，这由编译器在编译期间进行验证，同时在类加载过程中的类检验阶段的数据流分析阶段要再次验证。

• 另外，我们说 Java 虚拟机的解释引擎是基于栈的执行引擎，其中的栈指的就是操作数栈。

栈顶缓存技术

• 前面提过，基于栈式架构的虚拟机所使用的零地址指令更加紧凑，但完成一项操作的时候必然需要使用更多的入栈和出栈指令，这同时也就意味着需要更多的指令分配(instruction dispatch)次数和内存读写次数。

• 由于操作数是存储在内存中的，因此频繁地执行内存读写操作必然会影响执行速度，为了解决这个问题，HotSpot JVM 的设计者们提出来栈顶缓存技术(ToS,Top-of-Stack Cashing), 将栈顶元素全部缓存在物理 CPU 的寄存器中，以此减低对内存的读写次数，提升执行引擎的执行效率。

动态链接(或指向运行时常量的方法引用)

• 每一个栈帧内部都包含一个执行运行是常量池中该栈帧所属方法的引用。包含这个引用的目的就是为了支持当前方法的代码能够实现动态链接。比如：invokedynamic 指令
• 在 Java 源文件被编译到字节码文件中时，所有的变量和方法引用都作为符号引用(Symbolic Reference)保存在 class 文件的常量池里。比如：描述一个方法调用了另外的其他方法时，就是通过常量池中指向方法的符号引用来表示的，那么动态链接的作用就是为了将这些符号引用转换为调用方法的直接引用。

为什么需要常量池呢？

• 常量池的作用，就是为了提供一些符号和常量，便于指令的识别。

方法的调用

• 在JVM中，将符号引用转换为调用方法的直接引用与方法的绑定机制有关。

• 静态链接：

  • 当一个字节码文件被装载进JVM 内部时，如果被调用的目标方法在编译器可知，且运行期保持不变时。这种情况下将调用方法的符号引用转换为直接引用的过程称之为静态链接。

• 动态链接：

  • 如果被调用的方法在编译期无法被确定下来，也就是说，只能够在程序运行期将调用方法的符号引用转换为直接引用，由于这种引用转换过程具备动态性，因此也就被称之为动态链接。

• 对应的方法的绑定机制为：早期绑定和晚期绑定。绑定是一个字段、方法或者类在符号引用被替换为直接引用的过程，这仅仅发生一次。

• 早期绑定：

  • 早期绑定就是指被调用的目标方法如果在编译期可知，且运行期保持不变时，即可将这个方法与所属的类型进行绑定，这样一来，由于明确了被调用的目标方法究竟时哪一个，因此也就可以时哟偶能够静态链接的方式将符号引用转换为直接引用。

• 晚期绑定：

  • 如果被调用的方法在编译期无法被确定下来，只能够在程序运行期根据实际的类型绑定相关的方法，这种绑定方式就被称之为晚期绑定。

• 随着高级与演的横空出世，类似于 java 一样的基于面向对象的编程语言如今越来越多，尽管这类编程语言在语法风格上存在一定的差别，但是他们彼此之间始终保持这一个共性，那就是支持封装、继承和多态等面向对象特性，既然这一类的编程语言具备多态特性，那么自然也就具备早期绑和晚期绑定两种绑定方式。

• Java 中任何一个普通的方法其实都具备虚函数的特征，他们相当于 C++ 语言中的虚函数（C++中则需要使用关键字 virtual 来显示定义）。如果在 Java 程序中不希望某个方法拥有虚函数的特征时，则可以使用关键字 final 来标记这个方法。

非虚方法与虚方法

• 非虚方法

  • 如果方法在编译期就确定了具体的调用版本，这个版本在运行时是不可变的，这样的方法称为非虚方法。

  • 静态方法、私有方法、final 方法、实例构造器、父类构造器、父类方法都是非虚方法。

  • 其他方法称为虚方法。