03-2 运行时数据区-虚拟机栈

1. 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）

1.1 概述

由于跨平台性的设计，Java的指令都是基于栈的架构来设计的。因为不同平台CPU架构不同，所以不能设计为基于寄存器架构的。

基于栈架构的优点是跨平台，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。

Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）也是线程私有的，其生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型：每个方法被执行的时候，Java虚拟机都会同步创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。

1.2 栈的特点

• 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

1.3 栈中可能出现的异常

Java虚拟机规范中允许栈的大小是动态的或者是固定不变的。

1. 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深度超过Java虚拟机栈允许的最大深度，Java虚拟机将抛出一个StackOverflowError异常。
2. 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 创建的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。

1.4 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。

2. 栈的存储单位

2.1 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）的形式存在。
• 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，保存着方法执行过程中的各种数据信息，如局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。

2.3 栈的运行原理

方法调用与Java虚拟机栈

• JVM直接对Java栈的操作就两个，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它方法，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中引用另外一个线程的栈帧。
• 如果当前方法调用了其它方法，在方法返回之际，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，使得前一个方法的栈帧重新成为当前栈帧。
• Java方法有两种返回方式，一种是正常的方法返回，即使用return指令；另外一种是抛出异常。不管使用那种方式，都会导致该方法的栈帧被弹出。

3.3 栈帧的内部结构

栈帧内部结构

每个栈帧中存储着：

• 局部变量表（Local Variables）
• 操作数栈（Operand Stack）
• 动态链接（Dynamic Linking）
• 方法返回地址（Return Adress）
• 一些附加信息

3.4 局部变量表

• 局部变量表是一组变量值的存储空间，用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量，包括编译器可知的各种Java虚拟机基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽（Slot）来表示，1个变量槽占用多少比特有具体的虚拟机自行决定。
• 局部变量表所需的容量大小是在编译器确定下来的，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。对一个方法而言，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，因此该方法就会占用更多的栈空间，导致其最大的嵌套调用次数减少。
• 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。

3.4.1 关于变量槽slot的理解

• 在局部变量表中，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。
• JVM会为局部变量表的每一个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将会按照顺序被复制到局部变量表中的每一个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，其余的参数按照参数表顺序继续排列。

slot的重复利用

栈帧中局部变量表的槽位是可以重用的，如果一个变量过了其作用域，那么在其作用域之后声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。

public class SlotClass {
    public void localVar1() {
        int a = 0;
        System.out.println(a);
        int b = 0;
    }

    public void localVar2() {
        {
            int a = 1;
            System.out.println(a);
        }
        int b = 2;  // 此时的b会复用a的变量槽位
    }
}

3.4.2 静态变量与局部变量的对比

• 参数表分配完毕后，再根据方法体内定义的变量的顺序和作用域分配。
• 类变量表有两次初始化的机会，第一次是在准备阶段，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初始值。
• 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。

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。

3.5 操作数栈

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的操作数栈，也可以称之为表达式栈。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/出栈。

操作数栈

• 操作数栈，主要用于保存计算过程中的中间结果，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着被创建出来，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的值中。
• 操作数栈并非采用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依次数据访问。
• 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，我们所说Java虚拟机的解释引擎是基于栈的架构，其中的栈指的就是操作数栈。

3.6 栈顶缓存（Top-of-Stack Cashing）技术

基于栈式架构的Java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，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。

3.7 动态链接

• 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（Simbolic Rederence）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。

3.7.1 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。

3.7.2 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。

1. 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。

2. 动态链接

如果被调用的方法在编译器无法被确定下来，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。

绑定是一个字段、方法或者类的符号引用被替换为直接引用的过程，这仅仅发生一次。对应的绑定机制为：早期绑定（Early Binding）和晚期绑定（Late Binding）。

1. 早期绑定

早期绑定就是指被调用的目标方法在编译器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的方法究竟是哪一个，因此也就可以使用静态链接的方式将符号引用转换为直接引用。

2. 晚期绑定

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

虚方法与非虚方法

1. 虚方法
   Java中任何一个普通的方法其实都具备虚函数的特征，它们相当于C++语言中的虚函数（C++中需要使用关键字virtual来显式定义）。如果在Java中程序中不希望某个方法拥有虚函数的特征，则可以使用关键字final来标记这个方法。
2. 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。

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，解析阶段确定唯一方法版本
  2. invokespecial：调用方法、私有和父类方法，解析阶段确定唯一方法版本
  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

前四条指令固化在虚拟机内部，方法的调用执行不可人为干预，而invokedynamic指令则支持由用户确定方法版本。其中invokestatic和invokespecial指令调用的方法称为非虚方法，其余的（final修饰的除外）称为虚方法。

动态类型语言与静态类型语言

动态类型语言和静态类型语言的两者的区别就在于对类型的检查是在编译期还是在运行期，满足前者就是静态类型语言，反之是动态类型语言。
说得再直白一点就是，静态类型语言就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，这是动态语言的一个重要特征。

方法重写的本质

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。

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。
• 虚方法表什么时候被创建？虚方法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。

虚方法表示意图

3.8 方法返回地址

方法返回地址（return address）：

• 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：
  • 方法正常结束
  • 出现未处理的异常，非正常退出
• 无论通过那种方式退出，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，即调用该方法指令的下一条指令的地址。而通过异常退出的，返回地址时要通过异常表来确定，栈帧中一般不会保存这部分信息。

方法的两种返回方式

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。

• 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具体数据类型而定。
• 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、dreturn以及areturn，另外还有一个return指令供声名为void的方法、实例化方法、类和接口的初始化方法使用。

2. 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中，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它的上层调用者产生任何的返回值。

3.9 一些附加信息

栈帧中还允许携带与Java虚拟机实现相关的一些附加信息。例如，对程序调试提供支持的信息。

3.10 与栈相关的一些面试题

• 举例栈溢出的情况？（StackOverflowError）
  • 通过-Xss设置栈的大小；OOM
• 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！
• 垃圾回收是否会涉及到虚拟机栈？ 不会！
  方法中定义的局部变量是否线程安全？ 具体问题具体分析。