JVM(四) —— 运行时数据区之虚拟机栈的详细介绍

概述

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。

在之前的章节也说过，基于栈的架构优点是跨平台，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。

在JVM中，栈是运行的单位，堆是存储的单位。
这句话的意思就是栈解决程序运行问题，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。

Java虚拟机栈，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，生命周期和线程一致。

虚拟机栈主管Java程序的运行，它保存方法的局部变量（8种数据类型，对象的引用地址），部分结果，并参与方法的调用和返回。

我们来看一段代码：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Test test = new Test();
        test.methodA();
    }
    
    public void methodA() {
        int a = 10;
        int b = 20;
        methodB();
       
    }
    public void methodB() {
        int c = 30;
        int d = 40;

    }
}

上边的方法执行过程如下图：

一个栈帧对应着一个方法。在方法执行的时候，第一个方法A入栈，调用其他的方法B的时候，被调用的方法B就会入栈，在上一个方法A上边，这个过程叫做入栈或压栈，在栈中最上边的栈帧对应着的是当前方法，当前方法B执行完成之后就会出栈，这个过程就叫做出栈或者弹栈。B方法执行完毕出栈，A方法对应的栈帧就变成了栈中最上边的栈帧，作为当前方法，A方法执行完毕，程序就结束了。

栈运行原理

• 栈是先进后出，就像手枪弹夹，先放进去的子弹后被打出，最后放进去的子弹，先被打出。
• 栈遵循先进后出，后进先出的原则
• 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

• 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（栈顶方法）是有效的，这个栈帧被称为当前栈帧，定义这个方法的类就是当前类。

• 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，称为新的当前帧。

• 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，使用前一个栈帧重新称为当前栈帧。

• 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命令；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。
  对于上边的返回函数有必要强调一下，抛出异常是指没有被try catch捕获，如果被try catch捕获属于正常的函数返回，如果抛出异常，则要看调用此函数的上一层方法/函数是否有try catch，如果没有，则会继续往上抛，直到遇到最上层的方法（栈底方法）或者被捕获，遇到最上层的方法中也没有try catch捕获属于抛出异常，程序结束，最上层的方法中或者中间的方法捕获异常属于正常的函数返回。

• 对于栈来说不存在垃圾回收的问题。因为栈只有入栈和出栈，但是由于栈空间有限，如果一直入栈，并不出栈，就会出现OOM.

栈中的异常

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虚拟机栈容量法可以在线程创建的时候独立选定，如果线程请求分配的占容量超过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。比如在mian方法中调用main方法这种递归操作。
• 如果Java虚拟机可以动态扩展，并且在尝试拓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区创建对应的虚拟机栈，那Java虚拟机将会抛出一个OutOfMemoryError异常。

栈空间大小设置

刚刚我们说到Java栈的大小可以是固定不变的。我们可以使用参数-Xss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。

• 如果我们要设置以KB为单位设置大小，就要在数字后边加上K或k,如： -Xss1024K
• 如果我们要设置以MB为单位设置大小，就要在数字后边加上M或m,如： -Xss1024m
• 如果我们要设置以GB为单位设置大小，就要在数字后边加上G或g,如： -Xss1G

那么我们怎么证明栈的大小直接决定了函数调用的最大可达深度呢？
来看一段代码：

public class Test {
    private static int a = 1;

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Test.a);
        a++;
        main(args);
    }
}

程序中有一个静态变量作为计数器，每调用一个main方法，a就会 + 1，我们先不设置栈空间大小，执行程序，我这边输出的a的最大值为11418：

此时我们设置栈的空间为256k : -Xss256K

我们再去执行程序，a的最大值为2459：

上边的例子也说明了，我们的JVM默认的栈空间大小是要比256k大的。

栈的内部结构

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的格式存在
• 在每个线程上正在执行的每个方法都各自对应一个栈帧
• 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

栈帧的内部结构

每个栈帧中存储着：

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

局部变量表

• 局部变量表也被称为局部变量数组或本地变量表
• 定义为一个数据数组，主要是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，以及returnAddress类型。
• 由于局部变量表示建立在线程的栈上，是线程私有的数据，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数据线中。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，方法嵌套调用次数哦越多。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，导致其乔涛调用次数就会减少。
• ==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，局部变量表也随之销毁。

我们先看一段简单的代码：

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        Test test = new Test();
        int a = 1;
        test.test();
    }
    public void test() {
    }
}

在idea中安装一个插件：

将代码编译之后

就会出现这个页面：

选择方法->main->code

这个局部变量最大槽数就是局部变量表的长度， 也就是上边所说的方法的Code属性的maximum local variables，这个值在运行时也不会改变，因为在编译期已经确定了。

code中的LocalVariableTable就是我们说的局部变量表，有三个，分别是args，test, a。和我们程序中的代码是对应上的，其中L表示的是引用类型变量。

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克制的各种基本数据类型（8种），引用数据类型，returnAdress类型的变量。
  

• 在局部变量表中，32位以内的类型只占用一个slot((包括returnAdress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。

• 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所指定的局部变量值。

• 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。

• 如果需要方法局部变量表中一个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或者double类型变量）。

• 如果当前帧就是由否早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
栈帧中的局部变量表中的槽位是可以重复重用的，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服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;

        // 变量b的作用域是这个大括号，出了这个大括号b就把槽位释放
        {
            int b = 0;
            b = a + 1;
        }
        // 变量c占用的是b的槽位
        int c = a + 1;
    }

上边的方法按照上边说的局部变量表的长度应该是4，分别对应this，a, b,c。但是实际上只用了3个：

这是由于b的作用域问题，变量b的作用域是大括号，出了这个大括号b就把槽位释放，c就会占据b的槽位，所以b,c的槽位索引是一样的。

补充说明

• 在栈帧中，与性能调优关系最为密切的部分就是局部变量表，在方法执行前，虚拟机使用局部变量表完成方法的传递。
• 局部变量表中变量也是中要的垃圾回收根节点，主要被局部变量表中直接或间接引用的对象都不会被回收。

操作数栈

• 每一个独立的栈帧中出了包含局部变量表之后，还包含一个后进先出的操作数栈，也可以称为表达式栈。
• 操作数栈在方法执行过程中，根据字节码的指令，往栈中写入数据或提取数据，即入栈和出栈。

  • 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，使用他们后再把结果压入栈。
    

  • 比如：执行赋值，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，同事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呗创建出来，这个方法的操作数栈是空的。
• 每一个操作数栈都会用友一个明确的站深度用于存储数值，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
• 操作数栈并非采用防伪索引的方式来进行数据访问的，而是只能通过标准的入栈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寄存器中吓一跳需要先执行的字节码指令。
• 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，这又编译器在编译期间进行验证，同事咋类加载过程中的类检验阶段的数据流分析阶段再次验证。
• 另外，我们说JVM的解释引擎是基于栈的执行引擎，其中的栈值得就是操作数栈。

操作数栈字节码指令分析

写一段代码：

public void test() {
        // byte,short,char,boolean都会一int类型保存
        byte i = 15;
        int j = 8;
        int k = i + j;
    }

在jclasslib中打开：

执行流程：

指令地址的数字就是PC寄存器执行到哪一步。push执行就会将数据放到操作数栈中。store相当于出栈，放在局部变量表中。

load会将局部变量表中的数据拿到操作数栈

进行运算，然后把结果放在局部变量表中。

从上边的图形中也可以看到操作数栈的空间最大是2.

栈顶缓存技术

在之前我们说过我们使用的是基于栈式架构的虚拟机，它锁使用的零地址指令更加紧凑，但是完成一项操作就需要更多的入栈出栈指令，也就意味着将需要更多的指令分派次数和内存读写次数。

由于操作数是存储在内存中的，因此频繁的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，HotSpotJVM提出了栈顶缓存技术。将栈顶元素全部缓存在屋里CPU的寄存器中，寄存器的指令更少，执行速度快，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

• 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。包含这个引用的每亩地就是为了支持当前方法的代码能够实现动态链接。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保存在class文件的常量池中，比如：描述一个方法调用了另外的其他方法时，就是用过常量池中指向方法的符号引用来标志的，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。

上边写的代码在终端进行反编译，执行 javap -v .\Test.class：

Classfile /D:/git-project/Test/out/production/Test/chunqiu/Test.class
  Last modified 2022-10-15; size 572 bytes     
  MD5 checksum f753981425d371a4d1f2d4a1e17a4fdc
  Compiled from "Test.java"
public class chunqiu.Test
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #5.#26         // java/lang/Object."":()V
   #2 = Class              #27            // chunqiu/Test
   #3 = Methodref          #2.#26         // chunqiu/Test."":()V
   #4 = Methodref          #2.#28         // chunqiu/Test.test:()V
   #5 = Class              #29            // java/lang/Object
   #6 = Utf8               
   #7 = Utf8               ()V
   #8 = Utf8               Code
   #9 = Utf8               LineNumberTable
  #10 = Utf8               LocalVariableTable
  #11 = Utf8               this
  #12 = Utf8               Lchunqiu/Test;
  #13 = Utf8               main
  #14 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #15 = Utf8               args
  #16 = Utf8               [Ljava/lang/String;
  #17 = Utf8               test
  #18 = Utf8               a
  #19 = Utf8               I
  #20 = Utf8               i
  #21 = Utf8               B
  #22 = Utf8               j
  #23 = Utf8               k
  #24 = Utf8               SourceFile
  #25 = Utf8               Test.java
  #26 = NameAndType        #6:#7          // "":()V
  #27 = Utf8               chunqiu/Test
  #28 = NameAndType        #17:#7         // test:()V
  #29 = Utf8               java/lang/Object
{
  public chunqiu.Test();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 3: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lchunqiu/Test;

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: new           #2                  // class chunqiu/Test
         3: dup
         4: invokespecial #3                  // Method "":()V
         7: astore_1
         8: iconst_1
         9: istore_2
        10: aload_1
        11: invokevirtual #4                  // Method test:()V
        14: return
      LineNumberTable:
        line 6: 0
        line 7: 8
        line 8: 10
        line 9: 14
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      15     0  args   [Ljava/lang/String;
            8       7     1  test   Lchunqiu/Test;
           10       5     2     a   I

  public void test();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
        line 13: 3
        line 14: 6
        line 15: 10
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      11     0  this   Lchunqiu/Test;
            3       8     1     i   B
            6       5     2     j   I
           10       1     3     k   I
}
SourceFile: "Test.java"

有一块Constant pool，带#的都是符号引用，在我们的方法中就会有相关指令指向常量池中的符号引用，符号引用最终都会指向真实引用。

动态链接调用图：

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引用和常量，便于指令的识别。

方法的调用

在JVM中，将符号引用转换为调用方法的直接饮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，如果被调用的目标方法在编译期克制，切运行期保持不变时。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城之后静态链接。
• 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，由于这种医用在转换过程具备动态性，因此也就城之后动态链接。

对应的方法绑定机制为早起绑定和晚期绑定。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，却运行期保持不变时，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法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，只能在程序运行期根据实际的类型绑定相关的方法，这种绑定放在也就被称之为晚期绑定。
  就比如方法参数传了一个父类或者接口，必须在真正运行的时候才能确定是哪一个子类进行操作，这就属于晚期绑定。

由于面向对象具有封装，集成和多态等特性，这类变成语言具备多态性，那么自然也就具备早期绑定和晚期绑定两种方式。

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。
• 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：
* invokestatic ：调用静态方法，解析阶段确定唯一方法版本
* inVokespecial : 调用＜ init ＞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千预，而 invokedynaic 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（ final 修饰的除外）称为虚方法。

invokestatic

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。

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。

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。

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.AbstractMe thodError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。

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 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 （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。
  
  说白了就是子类如果重写了父类的方法，由于虚方法表的存在，调用的时候就去虚方法表中直接使用，就用自己的，如果没有就用父类的方法，不需要再次一层层向上询问直到找到。

方法返回地址

• 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
  • 出现末处理的异常，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。

木质上，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。

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 、 dreturn 以及 areturn(返回引用类型) ，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。

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。

上图表示 如果在4-16行出现的异常，就执行19行的异常处理。

一些附加信息

战争中还允许携带与Java虚拟机实现相关的一些附加信息。比如对程序调试提供支持的信息。