JVM04 - 虚拟机栈

1.虚拟机栈概述

      1.1 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，为线程私有，生命周期和线程一致。

      1.2 虚拟机栈的作用

        主管Java程序的运行，保存方法的局部变量（8 种基本数据类型、对象的引用地址）、部分结果，并参与方法的调用和返回。

      1.3 虚拟机栈的特点

        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直接对Java栈的操作只有两个：

      （1）每个方法执行，伴随着进栈（入栈、压栈）

      （2）执行结束后的出栈工作

      1.4 栈和堆的区别

        栈是运行时的单位，堆是存储的单位。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的问题，即数据怎么放，放在哪里。

      1.5 虚拟机栈可能出现的异常

     （1）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。

     （2）如果采用固定大小的Java虚拟机栈，每一个线程的Java虚拟机栈容量可以在线程创建的时独立选定。

     （3）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*Error异常。

     （4）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Java虚拟机将会抛出一个OutofMemoryError异常。

2.栈的存储单位

      2.1 栈的运行原理

     （1）JVM直接对Java栈的操作只有两个，就是对栈帧的压栈和出栈，遵循先进后出（后进先出）原则。

     （2）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（栈顶栈帧）是有效的。此栈帧被称为当前栈帧（Current Frame），与当前栈帧相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）。

     （3）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。

     （4）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，成为新的当前帧。

     （5）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。

     （6）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，使得前一个栈帧重新成为当前栈帧。

     （7）Java方法有两种返回函数的方式，但不管使用哪种方式，都会导致栈帧被弹出。一种是正常的函数返回，使用return指令，另外一种是抛出异常。

      2.2 栈的内部结构

        每个栈帧中存储着：

      （1）局部变量表（Local Variables）

      （2）操作数栈（Operand Stack）（或表达式栈）

      （3）动态链接（Dynamic Linking）（或指向运行时常量池的方法引用）

      （4）方法返回地址（Return Address）（或方法正常退出或者异常退出的定义）

      （5）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

3.局部变量表

      3.1 局部变量表概述

     （1）局部变量表：Local Variables，被称之为局部变量数组或本地变量表

     （2）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，以及returnAddress类型。

     （3）由于局部变量表是建立在线程的栈上，是线程的私有数据，因此不存在数据安全问题

     （4）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。

     （5）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。

DEMO：

public class LocalVariablesTest {
    private int count = 0;

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

    public void test1() {
        Date date = new Date();
        String name1 = "atguigu.com";
        test2(date, name1);
        System.out.println(date + name1);
    }

    public String test2(Date dateP, String name2) {
        dateP = null;
        name2 = "songhongkang";
        double weight = 130.5;//占据两个slot
        char gender = '男';
        return dateP + name2;
    }
    
}

反编译后，可得结论：在编译期间，局部变量的个数、每个局部变量的大小都已经被记录下来

利用 JClassLib 也可以查看局部变量的个数：

      3.2 JClassLib工具查看字节码信息

• <main>为方法名
• <([Ljava/lang/String;)V> ：
  • [] 表示数组
  • L 表示引用类型
  • java/lang/String 表示 java.lang.String
  • V表示返回类型为void
• [public static]表示访问权限

杂项内可以看到局部变量最大槽数（槽为局部变量表的基本存储单位，下面会说），和字节码的长度

可以看到字节码长度确实是16

LineNumberTable：表示字节码指令行号和原始 java 代码行号的对应关系，例如字节码第0行对应代码第9行

LocalVariableTable：主要表示局部变量生效行数和有效行数

      3.3 变量槽Slot

     （1）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。

     （2）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。

     （3）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（1ong和double）。

     （4）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。

     （5）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。

     （6）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。

     （7）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。

Demo：

public void test3() {
        this.count++;
}

可见局部变量表中的this确实存放在index = 0的位置

      3.4 Slot的复用

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。

Demo：

public void test4() {
        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;
}

可见局部变量 c 重用了局部变量 b 的 slot 位置

4.操作数栈

      4.1 操作数栈特点

     （1）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。

     （2）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（push）和 出栈（pop）。

     （3）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。使用它们后再把结果压入栈，eg：执行复制、交换、求和等操作。

Demo：

      4.2 操作数栈作用

     （1）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的存储空间。

     （2）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，一个新的栈帧会随之被创建出来，这时方法的操作数栈是空的（操作数栈底层由数组实现，此时数组是有长度的，操作数栈为空）。

     （3）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maxstack的值。

     （4）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。

     （5）操作数栈虽底层采用数组实现，但并非采用访问索引的方式来进行数据访问，只能通过标准的入栈和出栈操作来完成一次数据访问。

     （6）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寄存器中下一条需要执行的字节码指令。

     （7）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，这由编译器在编译器期间进行验证，同时在类加载过程中的类验证阶段再次验证。

     （8）Java虚拟机的解释引擎是基于栈的执行引擎，其中的栈指的就是操作数栈。

操作数栈的深度

通过反编译生成的字节码指令查看操作数栈的深度

      4.3 操作数栈执行流程图

Demo：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        new Main().testAddOperation();
    }
    private  void testAddOperation() {
        byte i = 15;
        int j = 8;
        int k = i + j;
    }
}

字节码文件：

程序执行流程如下：

先执行第一条语句，PC寄存器指向0，也就是指令地址为0，然后使用bipush让操作数15入栈。

接下来PC寄存器 + 1，指向指令地址为2的操作指令，就将操作数栈的元素存储到局部变量表1的位置（该方法为实例方法，局部变量表索引为 0 的位置存放的是 this）

然后PC+1，指向指令地址为3的操作指令，操作数8入栈

PC寄存器 + 1，指向指令地址为4的操作指令，就将8存储到局部变量表2的位置

从局部变量表中依次将数据取出存放在操作数栈中，等待执行 add 操作

将操作数栈中的两个元素执行相加操作，并存储在局部变量表3的位置

return返回

5.动态链接

       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，包含这个引用的目的就是为了支持当前方法的代码能够实现动态链接。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文件的常量池里，描述一个方法调用了另外的其他方法时，就是通过常量池中指向方法的符号引用来表示的，那么动态链接的作用就是为了将符号引用转换为调用方法的直接引用。

看定义很懵，来个例子秒懂，Demo：

public class DynamicLinkingTest {
    int num = 10;
    public void methodA(){
        System.out.println("methodA()....");
    }
    public void methodB(){
        System.out.println("methodB()....");
        methodA();
        num++;
    }
}

从字节码中我们可以看到，methodB() 中通过 invokevirtual #7 指令调用了方法 A，这个"#7"是个啥？在jclasslib常量池中查看：

可见#7对应的是#8和#31，继续深入#8 ：

再找#32：

       最终我们找下来发现通过"#8"找到了DynamicLinkingTest这个类，同理跟踪"#31"我们可以发现最终找到的为：无形参，返回值为void的方法methodA。综上，我们知道了通过"#7"我们可以找到DynamicLinkingTest类的methodA方法，进而实现调用。再回顾动态链接的概念，就是为了将符号引用（“#7”）转换为调用方法的直接引用（DynamicLinkingTest的methodA）。最后来张原理图：

6.方法返回地址

       通过上文我们知道了一个栈帧存储了一个方法的信息，每个方法执行完后就会出栈，那么在方法B执行完出栈后如何恢复上层方法A的局部变量表等信息呢？方法返回地址就是用来解决这一问题。方法返回地址存放调用该方法的pc寄存器的值。本质上，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。一个方法的结束，有两种方式：1是正常执行完成，2是出现未处理的异常，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，返回地址要通过异常表来确定。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他的上层调用者产生任何的返回值。

      6.1 方法退出的两种方式

正常退出：

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。
2. 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。
3. 在字节码指令中，返回指令包含：
   1. ireturn：当返回值是boolean，byte，char，short和int类型时使用
   2. lreturn：Long类型
   3. freturn：Float类型
   4. dreturn：Double类型
   5. areturn：引用类型
   6. return：返回值类型为void的方法、实例初始化方法、类和接口的初始化方法

异常退出：

1. 在方法执行过程中遇到异常（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。

2. 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

7.附加信息

       帧中还允许携带与Java虚拟机实现相关的一些附加信息，eg：对程序调试提供支持的信息

 

       本文部分内容借鉴自视频：https://www.bilibili.com/video/BV1PJ411n7xZ?p=54

                             博文：https://blog.csdn.net/oneby1314/article/details/107960414

本文地址：https://blog.csdn.net/qq_36756682/article/details/112238599