PC寄存器和虚拟机栈

运行时数据区

一个进程对应一个运行时数据区，一个进程又存在多个线程，方法区和堆区是线程共享的，虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器是线程私有的。

PC计数器

PC寄存器，用来存储虚拟机字节码指令的地址 ，即当前线程将要指行的字节码行号指示器（下一条指令的地址）。

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字节码解释器通过改变PC寄存器来得到下一条执行的字节码指令；
CPU会不断切换各个线程，切换回来后需要知道从哪里继续执行

虚拟机栈

描述方法执行的线程内存模型。
每个线程的创建都会创建一个栈，线程私有。
每个方法执行时，都会创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接信息、返回地址信息、附加信息。每个方法被调用执行到执行完毕，对应着栈帧的入栈和出栈。

栈的操作只有入栈和出栈（对应方法的调用返回）
不存在垃圾回收

虚拟机栈中可能存在的异常

JVM虚拟机规范是允许虚拟机栈的大小是固定的或者动态的。

• 如果固定，可能出现StackOverflowError
• 如果不固定，当申请不到足够的内存时会出现OOM

栈的大小直接决定了方法的深度，可以通过-Xss 来设置栈的大小（-Xss设置每个线程栈的大小）

栈的运行原理

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局部变量表

• 局部变量表是一组变量值的存储空间。
• 是一个数字数组，用于存储方法参数和方法内部定义局部变量的值。包括基本类型、对象引用、returnAddress类型。
• 局部变量表的大小是在编译时确定的，在方法的Code属性“max_locals数据项中存储了局部变量表的最大容量
• 栈帧的大小主要就是局部变量表

局部变量槽

• 局部变量存储的基本单位是变量槽
• 32位以内的类型占一个槽（包括returnAddress）
  long和double类型的占2个槽
• 当方法调用时按照声明的顺序复制到局部变量表中。
• 如果当前栈帧是构造方法或实例方法（非static），则索引的第一个槽放的是this，代表该对象的引用。

局部变量槽是可以复用的，如果PC计数器的值已经超过了当前变量的作用域，那这个变量对应的槽可能被后面定义的变量复用。比如下图中的变量c，和变量b的局部变量索引都是2

变量槽复用

变量的分类（是否赋默认值）

变量分类

局部变量表的对象引用也是重要的垃圾回收根节点，只有不被局部变量表直接或间接引用的对象才会被垃圾回收。

局部变量表在方法调用的时候创建，在方法调用结束，随着栈帧的销毁而销毁。

操作数栈

• 操作数栈用来保存计算的中间结果
• 先进后出，通过数组保存，和局部变量表类似，栈的最大深度在编译时就确定，并存入Code属性的max_stack中；并且栈中存储的单元大小32位，long和double类型的占2个栈深度。
• 操作数栈的存储结构也是数组，但是不是通过索引访问，只能栈顶进行入栈和出栈。

当方法执行的时候，栈帧被创建出来，但是栈帧是空的（数组被创建，长度已经确定）

局表变量表+操作数栈举例 局表变量表+操作数栈举例

动态链接

在运行期间，将符号引用转化为直接引用的过程；编译之后，方法的调用指向常量池的某个值，运行时将厂里池的符号引用转化为直接引用。

非虚方法：

在编译期就可以确定的方法（即方法不会改变）就叫非虚方法。

• static方法、私有方法、父类方法、final方法、实例构造器都属于非虚方法。
• 其他的属于虚方法

虚方法，实现多态：类的继承关系、方法重写（运行时调用子类或实现类）

方法调用的指令：

• invokestatic：调用静态方法
• invokespecial：调用方法、父类方法、私有方法
• invokevirtual：调用虚方法（final方法也是这个命令，但属于非虚方法）
• invokerinterface：调用接口方法
• invokedynamic：动态解析调用方法执行，Lambda表达式就是，运行时才知道具体的方法实现是啥（对象都是动态的，类似动态语言，变量的值编译时不知道）

分派

看代码：

package com.demo.jvm;

public class HumanTest {
    static abstract class Human {
    }

    static class Man extends Human {

    }

    static class Woman extends Human {
    }

    public void sayHello(Human human) {
        System.out.println("Human");
    }

    public void sayHello(Man human) {
        System.out.println("Man");
    }

    public void sayHello(Woman human) {
        System.out.println("Woman");
    }

    public static void main(String[] args) {
        HumanTest humanTest = new HumanTest();
        Human man = new Man();
        Human woman = new Woman();
        humanTest.sayHello(man);
        humanTest.sayHello(woman);
        humanTest.sayHello((Man) man);
    }
}

其中Human man = new Man();中的Human成为静态类型，Man称为实际类型

静态分派：依赖静态类型来决定方法执行版本成为静态变量，上述代码中，humanTest.sayHello(man);humanTest.sayHello(woman);的执行结果都是Human，这是因为编译期通过静态分派确定重载的执行方法。根据类型确定的。

动态分派：运行时才知道实际类型是哪个，实现原理主要是invokevirtual指令。

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从指令调用过程可以看出，调用的时候是对象的实际类型开始查找，如果找到就直接return。实现重写。

上面的动态分派实现时需要不断向上搜索，得到具体执行的目标方法，比较耗性能，因此通过虚方法表和接口方法表进行缓存。

方法的返回地址

正常情况下存放主调方的PC寄存器的值
存放调用该方法的PC寄存器的值：调用完方法之后可以继续往下执行

方法执行结束后：相当于栈顶出栈，出栈后，恢复调用方的局部变量表和操作数栈，并把方法的返回结果压入操作数栈的栈顶，PC寄存器执行方法调用的下一条指令。

相关面试题：
1、虚拟机栈涉及垃圾回收吗？
答：不涉及，出栈相当于就回收了，但是局部变量表会影响垃圾回收，如果局部变量表还持有对象的引用，就不能被回收。
2、分配的栈内存越大越好吗？
不是，增大栈并不能避免栈溢出，只是延迟。
每个线程都会分配栈，如果一个栈内存变大，总内存不变的情况下，可建的线程数变少（挤压其他线程的栈空间）
3、方法中定义的局部变量是否线程安全：
不一定。如果是内部产生，内部消亡的，那就是线程安全的，如果不是，则可能存在线程安全问题（形参是个对象，方法返回对象被其他调用）