JVM-栈帧之局部变量表

1.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
  
  并行每个线程下的栈都是私有的，因此每个线程都有自己各自的栈，并且每个栈里面都有很多栈帧，栈帧的大小主要由局部变量表和操作数栈决定的

2.局部变量表

2.1 什么是局部变量表

• 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返回值类型。
• 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。
• 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。

局部变量表存放了编译期可知的各种Java虚拟机基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型，它并不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置）和returnAddress 类型（指向了一条字节码指令的地址）。
=====================================
这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽（Slot）来表示，其中64位长度的long和double类型的数据会占用两个变量槽，其余的数据类型只占用一个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在栈帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。请读者注意，这里说的“大小”是指变量槽的数量，虚拟机真正使用多大的内存空间（譬如按照1个变量槽占用32个比特、64个比特，或者更多）来实现一个变量槽，这是完全由具体的虚拟机实现自行决定的事情。
=====================================
在《Java虚拟机规范》中，对这个内存区域规定了两类异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展[2]，当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError异常。
--------摘自《深入理解java虚拟机》

对于局部变量表所需的容量大小是在编译期确定下来的这句话可以通过看字节码文件

源代码：

public class Example {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 3;
        a++;
        testStatic();
        System.out.println(a);
        
    }

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

字节码：

可以看到 locals=2 说明了局部变量表的大小为2 ，而这两个变量为data和count，所以说局部变量表所需的容量大小是在编译期确定下来的。(此时代码只是进行了编译还未运行)

通过使用jclasslib来看字节码，进行一些相关解释。

1.字节码行号

字节码中左边的数字表示的是有多少行字节码0~15也就是有16行。

2.方法异常信息表

此为异常信息表，当前方法没有异常所以没有异常表。

3、Misc(杂项)

4、行号表

Java代码的行号和字节码指令行号的对应关系

5、生效行数和剩余有效行数(针对于字节码文件的行数)

图中标记的地方表示的是该局部变量的作用域，初始PC(Start PC)为2表示该局部变量在字节码的第2行开始生效，字节码的第2行对应着java代码的第8行(由上一张图可知),而int a的定义是在第7行,可以得知局部变量是从声明的下一行生效的。

长度(Length)表示剩余有效行数,main方法字节码指令总共有16行，从2行开始生效，那么剩下就是16-2 =14。

描述符(Descriptor)第一行 [Ljava/lang/String 表示args的引用类型(String[]),第二行 I 表示的是a的引用类型(int)

2.2 关于Slot的理解

• 参数值的存放总是从局部变量数组索引 0 的位置开始，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类型的变量。
• 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位的类型占用两个slot（long和double）。
• byte、short、char在储存前被转换为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。（this也相当于一个变量）

2.3 代码示例

public class Example {
    public int sum = 0;

    public static void main(String[] args) {

        new Example().test();

    }

    public void test() {
        this.sum++;
        double a = 3;
        long b = 4;
    }
}

• 可以看到this存放在index = 0的位置
• 64位的类型（long和double）占用两个slot,序号直接从1变成了3

注意:

• this 不存在与 static 方法的局部变量表中，所以无法调用。
• static 修饰的方法是属于类的,该方法的调用者可能是一个类,而不是对象。 那么,如果使用的是类来 调用 而不是对象,则 this 就无法指向合适的对象,所以 static 修饰的方法中不能使用 this

2.4 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新的局部变量变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;
    }
    //变量c使用之前已经销毁的变量b占据的slot的位置
    int c = a + 1;
}

可以看到局部变量c重用了局部变量b的slot位置

2.5 静态变量与局部变量的对比

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
• 按照在类中声明的位置分：
  • 成员变量：在使用前，都经历过默认初始化赋值
    • 类变量: linking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，会在堆空间中分配实例变量空间，并进行默认赋值
  • 局部变量：在使用前，必须要进行显式赋值！否则，编译不通过

变量的赋值:

• 参数表分配完毕之后，再根据方法体内定义的变量的顺序和作用域分配。
• 我们知道成员变量有两次初始化的机会**，**第一次是在“准备阶段”，执行系统初始化，对类变量设置零值，另一次则是在“初始化”阶段，赋予程序员在代码中定义的初始值。
• 和类变量初始化不同的是，局部变量表不存在系统初始化的过程，这意味着一旦定义了局部变量则必须人为的初始化，否则无法使用。

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。