栈帧之操作数栈（Operand Stack）和动态链接（Dynamic Linking）解读

操作数栈

 

概念

每一个独立的栈帧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）和 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

代码举例 

public void testAddOperation(){
    byte i = 15; 
    int j = 8; 
    int k = i + j;
}

 字节码指令信息

public void testAddOperation(); 
    Code:
    0: bipush 15
    2: istore_1 
    3: bipush 8
    5: istore_2 
    6:iload_1 
    7:iload_2 
    8:iadd
    9:istore_3 
    10:return

0：将15进入操作数栈

2：将15进入局部变量表

3：将8进入操作数栈

5：将15进入局部变量表

6 7： 将15和8进入操作数栈

8：对二者进行运算放在操作数栈

9：将二者的运算结果进入局部变量表

 分析

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。

图解代码追踪

public void testAddOperation() {
    byte i = 15;
    int j = 8;
    int k = i + j;
}

使用javap 命令反编译class文件：javap -v 类名.class 

public void testAddoperation(); 
		Code:
	0: bipush 15 
	2: istore_1 
	3: bipush 8
	5: istore_2
	6: iload_1
	7: iload_2
	8: iadd
	9: istore_3
    10: return

 

 

栈顶缓存技术（Top Of Stack Cashing）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。

动态链接（Dynamic Linking）

概念

动态链接、方法返回地址、附加信息 ： 有些地方被称为帧数据区

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。

方法的调用：解析与分配

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，这种情况下降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，只能够在程序运行期将调用的方法的符号转换为直接引用，由于这种引用转换过程具备动态性，因此也被称之为动态链接。

静态链接和动态链接不是名词，而是动词，这是理解的关键。

对应的方法的绑定机制为：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。

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，这种绑定方式也就被称之为晚期绑定。

随着高级语言的横空出世，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，但是它们彼此之间始终保持着一个共性，那就是都支持封装、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悄，那么自然也就具备早期绑定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，它们相当于C语言中的虚函数（C中则需要使用关键字virtual来显式定义）。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

虚方法和非虚方法 

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。这样的方法称为非虚方法。

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。

在类加载的解析阶段就可以进行解析，如下是非虚方法举例： 

class Father{
    public static void print(String str){
        System. out. println("father "+str); 
    }
    private void show(String str){
        System. out. println("father"+str);
    }
}
class Son extends Father{
    public class VirtualMethodTest{
        public static void main(String[] args){
            Son.print("coder");
            //Father fa=new Father();
            //fa.show("atguigu.com");
        }
    }

虚拟机中提供了以下几条方法调用指令：

普通调用指令：

• invokestatic：调用静态方法，解析阶段确定唯一方法版本

• invokespecial：调用方法、私有及父类方法，解析阶段确定唯一方法版本

• invokevirtual：调用所有虚方法

• invokeinterface：调用接口方法

动态调用指令：

• 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指令和invokespecial指令调用的方法称为非虚方法，其余的（fina1修饰的除外）称为虚方法。

关于invokednamic指令

• JVM字节码指令集一直比较稳定，一直到Java7中才增加了一个invokedynamic指令，这是Java为了实现「动态类型语言」支持而做的一种改进。

• 但是在Java7中并没有提供直接生成invokedynamic指令的方法，需要借助ASM这种底层字节码工具来产生invokedynamic指令。直到Java8的Lambda表达式的出现，invokedynamic指令的生成，在Java中才有了直接的生成方式。

• Java7中增加的动态语言类型支持的本质是对Java虚拟机规范的修改，而不是对Java语言规则的修改，这一块相对来讲比较复杂，增加了虚拟机中的方法调用，最直接的受益者就是运行在Java平台的动态语言的编译器。

动态类型语言和静态类型语言

动态类型语言和静态类型语言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。

说的再直白一点就是，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，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：

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。

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。

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。

如果始终没有找到合适的方法，则抛出java.1ang.AbstractMethodsrror异常。

IllegalAccessError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。

方法的调用：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。

虚方法表是什么时候被创建的呢？

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。

例子1 

例子2 

interface Friendly{
    void sayHello();
    void sayGoodbye(); 
}
class Dog{
    public void sayHello(){
    }
    public String tostring(){
        return "Dog";
    }
}
class Cat implements Friendly {
    public void eat() {
    }
    public void sayHello() { 
    } 
    public void sayGoodbye() {
    }
    protected void finalize() {
    }
}
class CockerSpaniel extends Dog implements Friendly{
    public void sayHello() { 
        super.sayHello();
    }
    public void sayGoodbye() {
    }
}