深入浅出Java虚拟机（三）——运行时数据区

1.运行时数据区结构

由本地方法栈、程序计数器、虚拟机栈、堆区、元数据区、JIT编译产物等组成。

2.数据区介绍

Java虚拟机定义了若干种程序运行期间会使用到的运行时数据区，其中有一些会随着虚拟机启动而创建，随着虚拟机退出而销毁。另外一些则是与线程一一对应的，这些与线程对应的数据区域会随着线程开始和结束而创建和销毁。

灰色的为单独线程私有的，红色的为多个线程共享的。即：

• 每个线程：独立包括程序计数器、栈、本地栈。
• 线程间共享：堆、堆外内存（永久代或元空间、代码缓存）

• 线程是一个程序里的运行单元。JVM允许一个应用有多个线程并行的执行。
• 在 Hotspot JVM里，每个线程都与操作系统的本地线程直接映射。
  当一个Java线程准备好执行以后，此时一个操作系统的本地线程也同时创建。Java线程执行终止后，本地线程也会回收。
• 操作系统负责所有线程的安排调度到任何一个可用的CPU上。一旦本地线程初始化成功，它就会调用Java线程中的run方法。

3.PC寄存器

3.1 PC Register介绍

JVM中的程序计数寄存器（ Program Counter Register）中， Register的命名源于CPU的寄存器，寄存器存储指令相关的现场信息。CPU只有把数据装载到寄存器才能够运行。
这里，并非是广义上所指的物理寄存器，或许将其翻译为Pc计数器（或指令计数器）会更加贴切（也称为程序钩子），并且也不容易引起一些不必要的误会。JVM中的pc寄存器是对物理PC寄存器的一种抽象模拟。

3.2 作用

PC寄存器用来存储指向下一条指令的地址也即将要执行的指令代码。由执行引擎读取下一条指令。

3.3 特点

1. 它是一块很小的内存空间，几乎可以忽略不记。也是运行速度最快的存储区域。
2. 在JVM规范中，每个线程都有它自己的程序计数器，是线程私有的，生命周期与线程的生命周期保持一致。
3. 任何时间一个线程都只有一个方法在执行，也就是所谓的当前方法。程序计数器会存储当前线程正在执行的Java方法的JVM指令地址;或者，如果是在执行 native方法，则是未指定值（undefined）。
4. 它是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。
5. 字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令。
6. 它是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何 OutofMemoryError情况的区域。

操作步骤如下：

3.4 常见问题

1.使用PC寄存器存储字节码指令地址有什么用呢？
为什么使用PC寄存器记录当前线程的执行地址呢？

因为CPU需要不停的切换各个线程，这时候切换回来以后，就得知道接着从哪开始继续执行。
JVM的字节码解释器就需要通过改变PC寄存器的值来明确下一条应该执行什么样的字节码指令。

2.PC寄存器为什么会被设置为线程私有？

我们都知道所调的多线程在一个特定的时间段内只会执行其中某一个线程的方法，CPU会不停地做任务切换，这样必然导致经常中断或恢复，如何保证分毫无差呢？为了能够准确地记录各个线程正在执行的当前字节码指令地址，最好的办法自然是为每一个线程都分配一个pc寄存器，这样一来各个线程之间便可以进行独立计算，从而不会出现相互干扰的情况。
由于CPU时间片轮限制，众多线程在并发执行过程中，任何一个确定的时刻，一个处理器或者多核处理器中的一个内核，只会执行某个线程中的一条指令。
这样必然导致经常中断或恢复，如何保证分毫无差呢？每个线程在创建后，都会产生自己的程序计数器和栈帧，程序计数器在各个线程之间互不影响。

如果只是单独的计数器则不能共享 ，否则就会因为覆盖掉而不能找回返回位置。

4.虚拟机栈

4.1 出现背景

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，所以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。

有不少Java开发人员一提到Java内存结构，就会非常粗糙的将JVM中内存区理解为仅有Java堆（heap）和Java栈（ stack）？为什么？

因为栈是运行时的单位，而堆是存储的单位即：

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。

堆空间比较大 方法区可能使用本地内存 即会有几个G大 所以整个可能更大

栈空间不大

4.2 虚拟机栈介绍

• 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），对应着一次次的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、部分结果，并参与方法的调用和返回。

一次次调用相当于入栈和出栈，用哪个就在栈顶为当前方法，然后出栈

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。

变量分类

• 局部变量vs成员变量（或属性）
• 基本数据变量vs引用类型变量（类、数组、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

是没有GC的 但可能有栈溢出

4.3 常见问题

开发中遇到的异常有哪些？
栈中可能出现的异常

• Java虛拟机规范允许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中请到足够的内存，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 OutofMemoryError异常。

如何解决：

设置栈内存大小我们可以使用参数-Xss选项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。

由输出结果可以看出 迭代执行5135次后栈溢出

4.4 栈中存着什么

• 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，维系着方法执行过程中的各种数据信息。

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

4.5 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“先进后出”/“后进先出”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，成为新的当前帧。

• 不同线程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。

4.6 局部变量表①

• 局部变量表（local variables）也被称之为局部变量数组或本地变量表

• 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剖变量，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。当方法调用结束后，随着方法栈帧的销毁，局部变量表也会随之销毁。

关于Slot理解

• 参数值的存放总是在局部变量数组的 index0开始，到数组长度-1的索引结束
• 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（reference）， returnAddress类型的变量。
• 在局部变量表里，32位以内的类型只占用一个slot（包括returnAddress类型），64位的类型（long和 double）占用两个slot 。
• byte、short、char在存储前被转换为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。

double占据两个slot

变量c使用之前已经销毁的变量b占据的slot的位置

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

按照在类中声明的位置分：①成员变量：在使用前，都经历过默认初始化赋值

​ 类变量：Linking的 prepare阶段：给类变量默认赋值——> initial阶段：给类变量显式赋值即静态代码块赋值

​ 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，必须要进行显式赋值！否则，编译不通过

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。
• 局部变量表 0 放的是this

4.7 操作数栈②

• 每一个独立的栈帧中除了包含局部变量表以外，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，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

  • 32bit的类型占用一个栈单位深度
  • 64bit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（push）和出栈（pop）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，这由编译器在编译器期间进行验证，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。

获取上一个栈帧返回的结果，并保存进操作数栈中

操作数用的是栈结构 push load 往中放数据 add取出来用执行引擎做运算

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，这同时也就意味着将需要更多的指令分派（ 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的设计者们提出了栈顶缓存（ToS,Top-of- Stack Cashing）技术，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。

4.8 动态链接③

动态链接（或指向运行时常量池的方法引用〕

• 每一个栈帧内部都包含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）。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

虚拟机如何知道该调用什么方法呢？

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相关。

• 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期可知，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。

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、父类方法都是非虚方法。

• 其他方法称为虚方法。

  子类对象的多态性的使用前提：①类的继承关系②方法的重写

Java语言中方法重写的本质：

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，记作C。

2. 如果在类型C中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，查找过程结束；如果不通过，则返回java.lang.IllegalAccessError异常。

3. 否则，按照继承关系从下往上依次对C的各个父类进行第2步的搜素和验证过程。

4. 如果始终没有找到合适的方法，则抛出java.lang.Abstractmethoderror异常

   ilIegalAccessError介绍

   程序试图访问或修改一个属性或调用一个方法，这个属性或方法，你没有权限访问。一般的，这个会引起编译器异常。这个错误如果发生在运行时，就说明一个类发生了不兼容的改变

• 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可能影响到执行效率。因此，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）（非虚方法不会出现在表中）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。
• 那么虚方法表什么时候被创建？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之后，JVM会把该类的方法表也初始化完毕。

即虚方法会一层层往上找

4.9 方法返回地址④

存放调用该方法的pc寄存器的值。

• 一个方法的结束，有两种方式：

  • 正常执行完成

  • 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的地址。而通过异常退出的，返回地址是要通过异常表来确定，栈帧中一般不会保存这部分信息。

当一个方法开始执行后，只有两种方式可以退出这个方法：
1、执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令（ return），会有返回值传递给上层的方法调用者，简称正常完成出口

2、一个方法在正常调用完成之后究竟需要使用哪一个返回指令还需要根据方法返回值的实际数据类型而定。

在字节码指令中，返回指令包含 ireturn（当返回值是 boolean、byte、char short和int类型时使用）、lreturn、 freturn、 return以及 areturn，另外还有一个 return指令供声明为void的方法、实例初始化方法、类和接口的初始化方法使用。

3、在方法执行的过程中遇到了异常（ Exception），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。简称异常完成出口。
方法执行过程中抛出异常时的异常处理，存储在一个异常处理表，方便在发生异常的时候找到处理异常的代码。

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寄存器值等，让调用者方法继续执行下去。
正常完成出口和异常完成出口的区别在于：通过异常完成出口退出的不会给他的上层调用者产生任何的返回值。

4.10 栈相关问题

1. 举例栈溢出的情况？（ StackOverflowError）
   通过-Xss设置栈的大小；OOM
2. 调整栈大小，就能保证不出现溢出吗？不能分配的栈内存越大越好吗？不是！
3. 垃圾回收是否会涉及到虚拟机栈？不会！
4. 方法中定义的局部变量是否线程安全？具体问题具体分析

5.本地方法接口

5.1 什么是本地方法

简单地讲，一个 Native Method就是一个Java调用非Java代码的接囗。一个Native method是这样一个Java方法：该方法的实现由非Java语言实现，比如C。这个特征并非Java所特有，很多其它的编程语言都有这一机制，比如在C++中，你可以用 extern"c"告知c++编译器去调用一个c的函数

A native method is a Java method whose implementation is provided by non-java code

在定义一个 native method时，并不提供实现体（有些像定义一个Java interface），因为其实现体是由非java语言在外面实现的。
本地接口的作用是融合不同的编程语言为Java所用，它的初衷是融合C/C++程序。

public native void Native1(int x);
public native static long Native2();
private native synchronized float Native3 (object o);
native void Native4(int[] ary) throws Exception;

标识符 native可以与所有其它的 java标识符连用，但是 abstract除外。

5.2 为什么要使用 Native Method？

Java使用起来非常方便，然而有些层次的任务用Java实现起来不容易，或者我们对程序的效率很在意时，问题就来了。

• 与Java环境外交互：
  有时Java应用需要与Java外面的环境交互，这是本地方法存在的主要原因。
  Java需要与一些底层系统，如操作系统或某些硬件交换信息时的情况。本地方法正是这样一种交流机制：它为我们提供了一个非常简洁的接口而且我们无需去了解Java应用之外的繁琐的细节。

• 与操作系统交互：
  JVM支持着Java语言本身和运行时库，它是Java程序赖以生存的平台，它由一个解释器（解释字节码）和一些连接到本地代码的库组成。然而不管怎样，它毕竟不是一个完整的系统，它经常依赖于一些底层系统的支持。这些底层系统常常是强大的操作系统。通过使用本地方法，我们得以用Java实现了jre的与底层系统的交互，甚至JVM的一些部分就是用c写的。还有，如果我们要使用一些Java语言本身没有提供封装的操作系统的特性时，我们也需要使用本地方法

• sun’ s Java ：

  sun的解释器是用c实现的，这使得它能像一些普通的C一样与外部交互。

6.本地方法栈

• Java虛拟机栈用于管理Java方法的调用，而本地方法栈用于管理本地方法的调用。

• 本地方法栈，也是线程私有的。

• 允许被实现成固定或者是可动态扩展的内存大小。（在内存溢出方面是相同的）

  • 如果线程请求分配的栈容量超过本地方法栈允许的最大容量，Java虚拟机将会抛出一个 stackoverflowError异常。
  • 如果本地方法栈可以动态扩展，并且在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本地方法栈，那么Java虚拟机将会抛出一个 OutOfMemoryError异常

• 本地方法是使用C语言实现的。

• 它的具体做法是 Native Method Stack中登记 native方法，在Execution Engine执行时加载本地方法库。

• 当某个线程调用一个本地方法时，它就进入了一个全新的并且不再受虚拟机限制的世界。它和虚拟机拥有同样的权限。

  • 本地方法可以通过本地方法接口来访问虚拟机内部的运行时数据区。
  • 它甚至可以直接使用本地处理器中的寄存器
  • 直接从本地内存的堆中分配任意数量的内存
  • 并不是所有的JVM都支持本地方法.因为Java虚拟机规范并没有明确要求本地方法栈的使用语言、具体实现方式、数据结构等。如果JVM产品不打算支持 native方法，也可以无需实现本地方法栈。
  • 在 Hotspot JVM中，直接将本地方法栈和虚拟机栈合二为一。