JVM学习笔记3运行时数据区（虚拟机栈）

虚拟机栈

栈管运行，堆管存储
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。

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。

Java虛拟机栈是什么?

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。

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OutOfMemoryError异常。

栈中存储的是什么？

● 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。

栈的运行原理

● 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。。

相关面试题目

● 举例栈溢出的情况？
 ➢ StackOverflowError，通过-Xss设置栈的大小，
● 调整栈大小，就能保证不出现溢出吗?
 ➢ 不能，理论上来说死循环只能让StackOverflowError出现的更晚一些，就像给你100块钱和1000块钱。只能保证你多用点儿时间
● 分配的栈内存越大越好吗?
 ➢ 并不是，越大能降低一定时间内出现StackOverflowError的概率，内存空间是有限的，越大会挤占其他空间，会导致线程数变少
● 垃圾回收是否会涉及到虛拟机栈?
 ➢ 不会，存在Error，不存在GC，就是入栈出栈
● 方法中定义的局部变量是否线程安全?
 ➢ 具体问题具体分析，如果实在方法内创建的是线程安全的，如果是作为参数传入的可能就是线程不安全的，如果内部定义，返回出去的话，也是有可能是不安全的

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栈帧

==可使用idea的jclasslib插件辅助查看==

内部结构

每个栈帧中存储着:
● 局部变量表(Local Variables)
 ➢ 局部变量表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。
● 操作数栈(Operand Stack) ( 或表达式栈(Expression Stack)，后进先出(Last-In-First-Out))，说直白点就是临时存储空间
 ➢ 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
 ➢ 下图中bipush，iload，iadd都会涉及到操作数栈入栈，istore会涉及到从操作数栈中出栈

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

● 动态链接(Dynamic Linking) ( 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（Constant Pool）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。

● 方法返回地址(Return Address) (或方法正常退 出或者异常退出的定义)
 ➢ 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，栈帧中一般般不会保存这部分信息。

● 一些附加信息

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关于slot的理解

● 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。
● 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，boolqan 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。

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。

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。

public void test() {
  int a = 0;
  {
    int b = 0;
    b = a + 1;
  }
  //  c重复利用了b的slot（槽位）
  int c = a + 1;
}