JVM虚拟机栈（局部变量表与操作数栈）

JVM虚拟机栈（局部变量表与操作数栈）

虚拟机栈概述

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。

优点时跨平台，指令集小，编译器容易实现，缺点时性能下降，实现同样的功能需要更多的指令。

栈是运行时的单位，堆时存储的单位。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问题，即数据怎么放，放在哪里。

public class StackTest{
    public static void main(String[] args){
        StackTest test = new StackTest();
        test.methodA();
    }
    public void methodA(){
        int i = 10;
        int j = 20;
        methodB();
    }
    public void methodB(){
        int k = 30;
        int m = 40;
    }
}

Java虚拟机栈是什么

Java虚拟机栈（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，对应着一次次的Java方法调用。是线程私有的。

声明周期

声明周期和线程一致。

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。

• 局部变量 VS 成员变量（或属性）
• 基本数据类型变量 VS 引用类型变量（类、数组、接口）
• 8种基本数据类型的存储值和引用数据类型的地址

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直接堆Java栈的操作只有两个：
  • 每个方法执行，伴随着进栈
  • 执行结束后的出栈工作
• 对于栈来说不存在垃圾回收问题
  • GC ；OOM

面试题，开发中遇到的异常有哪些？

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，或者在创建新线程是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。

通过Xss来设置栈内存大小

栈的存储单位

• 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。
• 在这个线程上正在执行的每个方法都对应一个栈帧。
• 栈帧是一个内存区域，是一个数据集，维持着方法执行过程中的各种数据信息。

复习：

• OOP的基本概念：类、对象
• 类中的基本结构：field（属性、字段、域），方法

• JVM直接堆Java栈的操作只有两个，就是堆栈帧的压栈的出栈，遵循“先进先出”；
• 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是有效的，这个栈帧称为当前栈帧，与当前栈帧相对应的方法就是当前方法，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的其他方法，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。

栈运行原理

• 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以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，使得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指令；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。

int - ireturn double-dreturn void-return

栈帧的内部结构

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种基本数据类型，对象引用，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。

public class LocalVariablesTest{
    private int count = 0;
    public static void main(String[] args){
        LocalVariablesTest test = new LocalVariablesTest();
        int num = 10;
        test.test1();
    }
}

locals=3为数组的长度，用于存放形参和局部变量的数量。stack为操作数栈的深度。

字节码指令行号与Java代码行号的对应关系。

startPC为字节码指令行号，Length为描述当前变量作用域的范围。

public static void testStatic(){
    LocalVariablesTest test = new LocalVariablesTest();
    Date date = new Date();
    int count = 10;
    System.out.println(count);
}

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器可知的各种基本数据类型（8种）,引用类型（reference），returnAddress类型的变量。
• 在局部变量表里，32位以内的类型只占用了一个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,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。

• static方法内没有Slot内没有this变量，成员方法内有Slot变量。

• Slot可以重复利用

静态变量和局部变量的对比

变量的分类，按照数据类型分类1.基本数据类型。2.引用数据类型

​ 按照类中声明的位置分1.成员变量，类变量，（linking的prepare阶段，给类变量默认赋值。在initial阶段：给类变量显示赋值即静态代码块赋值）

实例变量：随着对象的创建，会在堆空间种分配实例变量空间，并进行默认赋值

局部变量：在使用前，必须要进行显示赋值，否则编译不通过

补充

• 在栈帧种，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简介引用的对象都不会被回收。

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，即入栈和出栈

• 某些字节码指令将值压入操作数栈，其余字节码指令将操作数去除栈。使用他们后再把结果压入栈。
• 执行复制、交换、求和

执行引擎将字节码指令翻译成机器指令

• 操作数栈的深度在编译后就已经确定

• 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创建出来，这个方法的操作数栈式空的。

• 每一个操作数栈都会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，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的。

代码讲解

public class OperandStackTest{
    public void testAddOperation(){
        //byte short char boolean : 都以int型保存
        byte i = 15;
        int j = 8;
        int k = i+j;
    }
}

• 如果被调用的方法带有返回值，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

public int getSum(){
    int m = 10;
    int n = 20;
    int k = m+n;
    return k;
}
public void testGetSum(){
    int i = getSum();
    int j = 10;
}

++i与i++的区别

栈顶缓存技术

由于操作数是存储在内存中的，因此频繁的执行内存读/写操作必然会影响速率，为了解决这个问题，HotSpotJVM的设计者门提出了栈顶缓存技术，将栈顶元素全部缓存在物理CPU寄存器中，以此降低堆内存的读写次数，提升执行引擎的执行执行效率。