[JVM] 虚拟机栈

一、虚拟机栈概述

Java的指令是根据栈来设计的！有跨平台，指令集小，编译器容易实现的有点，虚拟机栈在JVM中是非常重要的。

内存中的栈与堆：
栈是解决程序的运行问题，即程序如何执行，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。

Java虚拟机栈是什么？

• Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack），每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈，其内部是一个一个的栈帧（Stack Frame），对应着一次次的Java方法调用。是线程私有的。

Java虚拟机栈的生命周期

• 生命中周期与线程一致

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(对象是存在堆中)）、部分结果，并参与方法的调用和返回。

局部变量、成员（属性）变量；基本数据变量、引用类型变量

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。（栈可以通过数组和链表来实现，JVM操作数栈使用的是数组结构）
• 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了Java虚拟机栈允许的最大容量，JVM会抛StackOverflowError异常。
    ☆ 如果Java虚拟机栈可以动态扩展，并且在尝试扩展时无法申请足够的内存，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，那么JVM会抛OutOfMemoryError异常。

设置栈内存的大小

可以使用参数-Xss选项来设置栈的最大栈空间，栈的大小直接决定了函数调用的最大可达深度。

二、栈的存储单位

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各自对应一个栈帧。
栈帧是一个内存区块，是一个数据集，维系着方法执行过程中的各种数据信息。

1、栈运行的原理

• 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“先进先出，后进后出”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）。
• 执行引擎运行的所有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他方法，对应的新的栈帧会被创建出来，放在栈的顶端，成为新的当前栈帧。
• 不同的线程中所包含的栈帧是不允许存在相互引用的，即不可以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，然后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法，一种是正常的函数返回，使用return指令；另一种是抛出异常。不管使用哪种方式，都会导致栈帧被弹出。

2、栈帧的内部结构

每个栈帧中存储着：

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

（将动态链接，方法返回地址以及一些附加信息成为帧数据区）

三、局部变量表（Local Variables）

特点

• 局部变量也被成为局部变量数组和本地变量表。

• 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，是线程的私有数据，因此不存在数据的安全问题。

• 局部变量表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 variable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。

• 局部变量表中的数据只在当前的方法中调用有效。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。当方法调用结束后，随着方法栈帧的销毁，局部变量表也会随之销毁。

• 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。对于一个函数而言，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用更多的栈空间，导致其嵌套调用次数会减少。

• 字节码解释（idea使用jclasslib bytecode viewer插件）：
  

• 关于Slot的理解

  ☆ 局部变量表最基本的存储单元是Slot（变量槽）

  ☆ 在局部变量表中，32位以内的类型只占一个Slot（包括returnAddress类型），64位的类型（long和double）占两个Slot。
    ▎ byte、short、char在存储前被转换为int，boolean也被转换为int，0标示false，非0表示true。▎
  ☆ JVM会为局部变量中的每一个Slot都分配一个访问索引，通过这个索引即可成功访问到局部变量指定的局部变量值。
  ☆ 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将会按照顺序被复制到局部变量表的每一个Slot上。
  ☆ 如果当前栈帧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，其余参数按照表顺序继续排列。

• Slot的重复利用

  ☆栈帧中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局部变量就可能使用过期的变量槽位，从而达到节省资源的目的。

• 静态变量与局部变量的对比
  变量的分类：
  按照数据类型分：①基本数据类型、②引用数据类型
  按照在类中申明的位置：
      ①成员变量：在使用前都经历过默认初始化赋值
        类变量（静态变量）：linking的prepare阶段给类变量默认赋值---->initial阶段给类变量即静态代码块赋值
        实例变量：随着对象的创建，会在堆空间中分配实例变量空间，并进行默认赋值
      ②局部变量：在使用前，必须进行显示赋值！！否则编译不会通过。

• 补充说明
    在栈帧中，与性能调优关系最为密切的就是局部变量表，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，只要局部变量表中的直接和间接引用的对象都不会被回收。

四、操作数栈（Operand Stack）

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（在字节码指令是store的时候会把变量存进局部变量表中）。

• 每一个独立的栈帧中除了包含局部变量表外，还有一个先进后出的操作数栈，也可以称之为表达式栈。
• 在方法执行的过程中，根据字节码指令，操作数栈往栈中写入数据或提取数据，即入栈（push）/出栈（pop）。
    ☆ 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，使用它们之后将其结果再压入栈。（比如复制、交换、求和等操作）
• 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储存数值，其所需的最大深度在编译期就定义好了，保存在Code属性中，为max_stack的值。
• 操作数栈并非采用访问索引的方式来进行数据访问，而是只能通过保准的入栈和出栈操作来完成一次数据访问。
• 栈中的任何一个元素都是可以任意的Java数据类型。
    ☆32bit类型数据占用一个栈单位深度
    ☆64bit类型数据占用两个栈单位深度

栈顶缓存技术（Top-of-Stack Cashing）

将栈顶元素全部缓存在物理CPU的寄存器中，以此降低对内存的读/写次数，提升执行引擎的执行效率

五、动态链接（Dynamic Linking）

又称为指向运行时常量池的方法引用

每一个栈帧内部都包含有一个指向运行时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（Dynamic Linking）。

• 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 Referefce）保存class文件的常量池里。
• 动态链接的作用就是为了在一个方法调用其他方法时，将通过常量池中指向方法的符号引用转换为调用方法的直接引用。
  
• 为什么需要运行时常量池呢？
  
    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。

六、方法的调用

1、绑定机制

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，如果调用的目标方法在编译期可知，且运行时保持不变。
• 动态链接：如果被调用的方法在编译期无法确定下来，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。

对应的方法绑定机制为：早期绑定（Early Binding）和晚期绑定（Late Binding）。
绑定是一个字段、方法或者类在符号引用替换为直接引用的过程，仅发生一次。

• 早期绑定：对应静态链接，被调用的目标方法在编译期可知，且运行时保持不变时，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是哪一个，因此也就可以使用静态链接的方法将符号引用转换为直接引用。
• 晚期绑定：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。

2、虚方法与非虚方法

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，这样的方法成为非虚方法。
• 静态方法、私有方法、final方法、实例构造器、父类方法都是非虚方法

虚拟机中提供了以下几条方法调用指令：

• 普通调用指令
    1. invokestatic：调用静态方法，解析阶段确定的唯一方法版本（调用非虚方法）
    2.invokespecial：调用< init >方法、私有方法及父类方法，解析阶段确定唯一方法版本（调用非虚方法）
    3.invokevirtual：调用所有虚方法
    4.invokeinterface：调用接口方法
• 动态调用指令
    5.invokedynamic：动态解析出需要调用的方法，然后执行（Java8目前可以在lambda表达式使用时看见）

3、动态类型语言和静态类型语言

两者的区别在于对类型的检查是在编译期还是在运行期，在编译期就是静态类型语言，在运行期是动态类型语言。
静态类型语言是判断变量自身的类型信息；动态类型语言是判断变量值的类型信息，变量没有类型信息，变量值才有类型信息。

4、方法重写的本质

  1.找到操作数栈顶的第一个元素所执行的对象的实际类型，记为C。
  2.如果通过类型C找到与常量中的描述符合简单名称都相符的方法，则进行访问权限校验，如果通过则返回这个方法的直接引用，如果没有权限，则返回java.lang.IllegalAccessError异常（没有权限会引起编译器异常，发生不兼容的改变）。
  3.否则，按照继承关系从上往下依次对C的各个父类进行第2步的搜索和验证过程。
  4.如果始终没有找到合适的方法，则抛出java.lang.AbstractMethodError异常。

5、虚方法表

在面向对象的编程中，会很频繁的使用到动态分派，如果在每次动态分派的过程中都要重新在类的方法元数据中搜索合适的目标的话，就会影响到执行效率。为了提高性能，JVM采用在类的方法区建立一个虚方法表（virtual method table）来实现，使用索引表来代替查找。

• 每个类中都有一个虚方法表，表中存放着各个方法的实际入口。
• 虚方法表会在类加载的链接阶段被创建并开始初始化，类的变量初始值准备完成后，JVM会把该类的方发表也初始化完毕。

七、方法返回地址（return address）

存放调用该方法的PC寄存器的值。

• 本质上，方法的退出就是当前栈帧出栈的过程。此时，需要恢复上层方法的局部变量表、操作数栈、将返回值压入调用者栈帧的操作数栈、设置PC寄存器等，让调用者方法继执行下去。
• 一个方法的结束，有两种方方式：
    1.正常执行完成
    2.出现未处理的异常，非正常退出
• 无论通过哪种方式退出，在方法退出后都返回到该方法被调用的位置。方法正常退出时，调用者的PC计数器的值作为返回地址，即调用该方法的指令的下一条指令地址。而通过异常退出的，返回地址是要通过异常表来确定，栈帧一般不会保存这部分信息。
• 方法在执行过程中遇到异常，并且这个异常没有在方法内进行处理，也就是只要在本方法的异常表中没有搜索到匹配的异常处理器，就会导致方法退出。