JVM学习第四节 虚拟机栈
虚拟机栈
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- 虚拟机栈概述
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- 虚拟机栈出现的背景
- Java虚拟机栈是什么
- 栈的存储单位
- 局部变量表
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- 概述
- Slot
- 操作数栈
- 栈顶缓存技术
- 动态链接（或指向运行时常量池的方法引用）
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- 方法的调用 ：解析与分派
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- 虚方法与非虚方法
- 方法返回地址（Return Address）
- 一些附加信息
- 其它
虚拟机栈概述
虚拟机栈出现的背景
由于跨平台性的设计，Java的指令都是基于栈设计的，不同平台的CPU架构不同，所以无法基于寄存器设计。
基于栈的指令集优缺点
优点是可移植性（跨平台）更好、栈指令集的代码更加紧凑（字节码中每个字节就对应一条指令，但是多地址指令集中还需要存放参数）指令集小、编译器实现比较简单（不需要考虑空间分配的问题，所需空间都在栈上操作）。
缺点是指令数量更多，实现同样的功能需要更多的指令。原因是出栈、入栈操作本身就产生了更多的指令。 执行速度相对慢一点，性能下降，原因是栈实现在内存之中，频繁的栈访问，也就意味着频繁的内存访问，相对处理器来说内存始终是执行速度的瓶颈，尽管虚拟机可以采用栈顶缓存技术，把常用的操作映射到寄存器中，避免直接访问内存，但这也只是优化措施而不是解决本质问题的方法，由于指令数量和内存访问，导致栈架构的指令集执行速度相对较慢。
内存中的栈与堆
栈是运行时的单位，而堆是（主体）存储的单位（栈也可以存储）。栈解决程序的运行问题，即程序如何执行，或着说如何处理数据；堆解决的事数据存储的问题，即数据怎么存放，放在哪里。
Java虚拟机栈是什么
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
生命周期与线程一致
虚拟机栈的作用：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。
栈的优点
栈是一种快速有效的分配存储方法，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，每个方法开始执行入栈（进栈、压栈），执行结束后的出栈工作。
对于栈不存在垃圾回收的问题。
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，那么Java虚拟机会抛出OutOfMemoryError异常。
package com.zjt.jvm.demo.chapter04;
/**
* 举例说明 栈溢出
* @author zjt
* @date 2022-02-17
*/
public class JavaStackTest {
public static void main(String[] args) {
// Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
// 写一个递归调用，没有退出条件，就会不停的入栈而报错
main(args);
}
}
/**
* 可以使用参数-Xss 选项来设置线程的最大栈空间
* 栈的大小直接决定函数调用的最大可达深度
*/
class JavaStackTest1 {
private static int count = 0;
private static void recursion() {
count++;
recursion();
}
public static void main(String[] args) {
try {
recursion();
} catch (Throwable e) {
System.out.println("deep of calling = " + count);
e.printStackTrace();
}
}
}
显示设置栈内存大小
详情参考Oracle虚拟工具规范
https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/unix/java.html#BGBCIEFC
-Xsssize
Sets the thread stack size (in bytes). Append the letter k or K to indicate KB, m or M to indicate MB, g or G to indicate GB. The default value depends on the platform:
Linux/ARM (32-bit): 320 KB
Linux/i386 (32-bit): 320 KB
Linux/x64 (64-bit): 1024 KB
OS X (64-bit): 1024 KB
Oracle Solaris/i386 (32-bit): 320 KB
Oracle Solaris/x64 (64-bit): 1024 KB
The following examples set the thread stack size to 1024 KB in different units:
-Xss1m
-Xss1024k
-Xss1048576
This option is equivalent to -XX:ThreadStackSize.
栈的存储单位
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。
栈运行原理
JVM直接对栈的操作只有两个，也就是栈帧的入栈和出栈，遵循先进后出/后进先出原则。
在一个活动线程中，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，对应的新的栈帧就会被创建出来，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中引用另外一个线程的栈帧
如果当前方法调用的其他方法，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（出栈），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；另一种是抛出异常（自己未处理），无论是哪种方式都会导致栈帧被弹出。
栈帧的内部结构
一个栈帧对应着一个方法，一个栈帧的入栈对应方法的调用，栈帧的出栈代表方法调用的结束。
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、异常退出的定义）
一些附加信息
虚拟机栈分为固定大小和可扩展，栈到底能放多少栈帧取决于栈帧的大小，栈帧的大小取决于内部结构。（主要是局部标量表和操作数栈）
局部变量表
概述
1、局部变量表也被称之为局部变量数组或本地变量表。
2、定义一个数字数组，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，以及returnAddress类型。
3、由于局部变量表是建立在线程的栈上，是线程私有数据，因此不存在数据安全问题。
4、局部变量表所需的大小是在编译期确定下来的，并保存在方法的Code属性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。
package com.zjt.jvm.demo.chapter04;
/**
* 使用 javap -v LocalVariablesTest.class命令可以查看局部变量表
* @author zjt
* @date 2022-02-27
*/
public class LocalVariablesTest {
private int count = 0;
// 一共有3个变量
public static void main(String[] args) {
LocalVariablesTest test = new LocalVariablesTest();
int number = 10;
}
//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 // locals=3就是局部变量表的最大长度
// 0: new #3 // class com/zjt/jvm/demo/chapter04/LocalVariablesTest
// 3: dup
// 4: invokespecial #4 // Method "":()V
// 7: astore_1
// 8: bipush 10
// 10: istore_2
// 11: return
// LineNumberTable:
// line 12: 0
// line 13: 8
// line 14: 11
// LocalVariableTable: // 局部变量表 Slot指索引
// Start Length Slot Name Signature
// 0 12 0 args [Ljava/lang/String; // L表示引用类型 args 行参数组
// 8 4 1 test Lcom/zjt/jvm/demo/chapter04/LocalVariablesTest; // 引用类型的对象
// 11 1 2 number I
}
使用jclasslib插件也可以查看
main([Ljava/lang/String;)V
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，它的栈帧也就越大，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。
Slot
参数值的存放总是在局部变量数组的index0开始的，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。byte、short、char 在存储前会被转为int，boolean也被转为int， 0表示false 非0表示位true。
JVM 会为局部变量表中的每个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
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 将会放在index0的slot处，其余的参数按照参数表顺序继续排列。先声明谁，谁就先分配。静态方法无法调用this,原因就是静态方法的局部变量表中没有this引用。
Slot的重复利用：栈帧中的局部变量表中的槽位是可以重复利用的，如果一个局部变量过了其作用域，那么在其作用域之后声明的新的局部变量就很可能会复用过期的局部变量的槽位，从而达到节省资源的目的。
public void test2() {
int a = 0;
{
int b = 0;
b = a + 1;
}
// 变量c 使用之前已经销毁的变量b占用的slot未知
int c = a + 1;
}
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的根节点，只要被局部变量表中的变量直接或者间接引用的对象都不会被回收。
静态变量和局部变量的对比
/**
* 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
* 按照在类中的声明的位置分： 1、成员变量：在使用前都经历过默认初始化复制
* 类变量：linking 阶段的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，会在堆内存空间中分配实例变量空间，并进行默认赋值。
* 2、局部变量：在使用前必须要显式赋值，否则编译无法通过
*/
public void test3(){
// 局部变量不存在系统初始化的过程，一旦定义局部变量必须进行初始化
int i;
System.out.println(i);
}
操作数栈
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，往栈中写入数据或者提取数据，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，使用它们后再吧结果入栈。比如复制、交换、求和等。
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的临时存储空间。
操作数栈就是JVM执行引擎的一个工作区，当一个方法开始执行的时候，一个新的栈帧也会被创建出来，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，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比配，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需要再次验证。
另外，Java虚拟机的解释引擎是基于栈的执行引擎，其中栈指的就是操作数栈。
package com.zjt.jvm.demo.chapter04;
import java.util.HashMap;
/**
* @author zjt
* @date 2022-02-28
*/
public class OperandStackTest {
public static void main(String[] args) {
short a = 15;
int b = 8;
int c = a + b;
OperandStackTest test = new OperandStackTest();
test.test();
}
// 字节码指令解析如下
// public static void main(java.lang.String[]);
// descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
// flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
// Code:
// stack=2, locals=4, args_size=1
// 指令地址：操作指令
// 0: bipush 15 // 将常量15加载到操作数栈
// 2: istore_1 // 将常量15从操作数栈存储到局部变量表的第二个位置 注意局部变量表中0位置也就是第一个局部变量是args
// 3: bipush 8 // 常量8加载到操作数栈
// 5: istore_2 // 将常量8从操作数栈存储到局部变量表的第三个位置
// 6: iload_1 // 将载局部变量中的第二个变量压入操作数栈
// 7: iload_2 // 将载局部变量中的第三个变量压入操作数栈
// 8: iadd // 求和操作
// 9: istore_3 // 将求和就过从操作数栈存储到局部变量表的第四个位置
// 10: return // 返回
// LineNumberTable:
// line 12: 0
// line 13: 3
// line 14: 6
// line 15: 10
// LocalVariableTable:
// Start Length Slot Name Signature
// 0 11 0 args [Ljava/lang/String;
// 3 8 1 a S
// 6 5 2 b I
// 10 1 3 c I
}
栈顶缓存技术
基于栈式架构所使用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。
由于操作数栈式存储在内存中的，因此频繁的执行内存读/写操作必然会影响执行速度，Hotspot JVM采用了栈顶缓存(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，依次降低对内存大的读/写次数。提升执行引擎的执行效率。
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动态链接（Dynamic Linking）。比如：invokedynamic指令。
使用javap -v 命令分析
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文件的常量池中，比如：描述一个方法调用了另外的其它方法时，就是通过常量池中指向方法的符号引用来表示的。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。
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 ：解析与分派
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。
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间可知，且在运行期间保持不变，在这种情况下将调用方法的符号引用直接引用的过程称为静态链接。
动态链接：如果被调用的方法在编译期间无法确定下来，也就是说，只能够在程序运行期间将调用方法的符号引用转换为直接引用，由于这种引用转换的过程具备动态性，称之为动态链接。
对应的方法绑定机制为，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被调用的目标方法在编译期间可知，且在运行期间保持不变时，即可将这个方法与所属的类型进行绑定，由于明确了被调用的目标方法究竟是哪一个，因此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间无法确定下来，只能够在程序运行期间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。
举例说明：
package com.zjt.jvm.demo.chapter05;
interface LinkingTest {
/**
* 打印
*/
void print();
}
/**
* @author zjt
* @date 2022-03-20
*/
public class EarlyLinking {
public EarlyLinking() {
}
public EarlyLinking(String pwd) {
this(); // 早期绑定 此时已经确定 调用的是空参构造方法
}
public void method1(LinkingTest test){ // 此方法为晚期绑定
test.print();
}
}
虚方法与非虚方法
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修饰方法、实例构造器、父类方法都是非虚方法。其它方法是虚方法。
虚拟机中提供了一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、私有以及父类方法，解析阶段确定唯一方法版本，
3、invokevirtual：调用所有虚方法。
4、invokeinterface：调用所有接口方法。
动态调用指令：
invokedynamic：动态解析出需要调用的方法，然后执行
前4条指令固定在虚拟机内部，方法的调用执行不可人为干预，而invokedynamic指令则支持有用户确定方法版本，invokestatic和invokespecial指令调用方法称为非虚方法，其余的（final修饰的除外）称为虚方法。
invokedynamic直到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
静态类型语言与动态类型语言
静态类型的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。
子类对象的多态性使用前提：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、找到操作数栈栈顶的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与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，查过过程结束，如果不通过，则返回java.lang.IllegalAccessException异常。
3、否则，按照继承关系从下往上依次对C的各个父类进行第二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。
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，为了提供性能，JVM采用在类的方法区建立一个虚方法表（virtual method table）来实现（虚方法不会出现在表中，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会把类的方法表也初始化完毕。
方法返回地址（Return Address）
存储调用该方法的PC寄存器的值。(pc 寄存器中存储的是执行下一条指令的值，将该值给了方法返回值，交给执行引擎，让它继续执行)
一个方法的结束有两种方式：1、正常执行结束。2、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的被调用的位置，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。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。
一个方法的结束有两种方式：
1、正常执行结束，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(正常完成出口)。
1.1、一个方法在正常调用完成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。
1.2、在字节码指令中，返回值了包含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、方法执行遇到异常，并且这个异常在方法中没有处理，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，就会退出方法（异常完成出口）。方法执行过程中抛出异常时的处理存储在一个异常处理表，方便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寄存器指等，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返回值。
一些附加信息
栈帧中允许携带与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。（不确定有）
其它
栈溢出的情况（StackOverflowError） 栈帧一直申请新的空间，栈空间不足时会发生溢出错误。 -Xss 设置栈的大小。 整个内存空间不足时会引发OOM错误。调整栈的大小，也不能保证不出现溢出。
分配栈内存越大越好吗？不是，栈内存越大占用内存越大，挤占其他内存空间，可用的线程就会越少
垃圾回收也不会作用于虚拟机栈。程序计数器不会发生GC、也不会发生Error
方法中定义的局部变量是否线程安全？在方法内部产生内部消亡就可以认为是线程安全的，但是被返回 或作为参数处理 可能会发生线程安全问题