荐【探究JVM四】Java方法执行的线程内存模型——虚拟机栈字节码指令追踪，万字长文深入探究内部结构

程序员文章站 2024-01-07 13:45:22

JVM运行时数据区重要结构，Java方法执行的线程内存模型——虚拟机栈。本文通过字节码指令追踪，万字长文带你深入探究虚拟机栈的内部结构！...

荐
【探究JVM四】Java方法执行的线程内存模型——虚拟机栈字节码指令追踪，万字长文深入探究内部结构

文章目录

1. 虚拟机栈概述

虚拟机栈出现背景
内存中的栈与堆
虚拟机栈的基本内容
出现的异常

2. 虚拟机栈的内部结构

栈中存储什么
栈帧的内部数据

3. 局部变量表
4. 操作数栈
5. 动态链接
6. 方法返回地址
7. 附加信息

1. 虚拟机栈概述

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【探究JVM四】Java方法执行的线程内存模型——虚拟机栈字节码指令追踪，万字长文深入探究内部结构

虚拟机栈出现背景

由于跨平台性的设计，Java指令都是基于栈（8位对齐）来设计的。不同平台的CPU架构不同，所以不能设计为基于寄存器的（16位为对齐）。

【基于栈的优势】：跨平台，指令集小，编译器容易实现；

【劣势】：性能下降，实现的同样的功能指令多

内存中的栈与堆

栈是运行时的单位，堆是存储时的单位。

虚拟机栈解决程序的运行问题，程序执行最终都是压入虚拟机栈的栈帧中
堆解决的是数据存储问题，（除去基本类型之外）主体数据均是存储在堆上

就好比是我们电脑的内存和硬盘，程序的执行都需要加载到内存中来运行。但是保存数据都是持久化在硬盘上的，硬盘中的数据需要读取到内存中才能执行。

虚拟机栈的基本内容

【作用】：管理Java程序的运行，保存方法的局部变量、部分结果，参与方法的调用和返回

【生命周期】：与线程的生命周期相同

【特点】

访问速度仅次于PC计数器（只涉及到入栈和出栈的操作）
不存在垃圾回收问题

会存在OOM和*

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

《Java虚拟机规范》中规定了两类异常状况：

如果线程请求的栈的深度大于虚拟机所允许的最大深度，抛出*Error
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中请到足够的内存，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JVM将会抛出OutOfMemoryError异常

HotSpot虚拟机栈容量不可以动态扩展，但是申请失败是仍会产生OOM

【手动设置虚拟机栈的容量大小】

-Xss256k（单位为k、m、g，忽略大小写）

2. 虚拟机栈的内部结构

栈中存储什么

虚拟机栈的基本单元是栈帧（Stack Frame），一个栈帧对应一个Java方法的调用

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【执行原理】

由于虚拟机栈是线程私有的，不同的线程有不同的栈，不同的栈之间数据不能共享。即不可能存在一个栈帧中引用另外一个线程的栈帧。它们可以通过同一个进程来共享数据。

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

栈帧的内部数据

每个栈帧中存储着5部分数据：

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局部变量表（Local Variables）
操作数栈（Operand Stack）
动态链接（Dynamic Linking）
方法返回地址（Return Address）
附加信息

接下来，我们分别讨论这5部分的作用

3. 局部变量表

局部变量表Local Variables（局部变量数组或者本地变量表）。

局部变量表是一个数字数组，主要用于存储方法参数和定义在方法体内的局部变量。
- 数据类型包括：基本数据类型、引用类型、返回值类型
线程私有数据，不存在线程安全问题
局部变量表的容量大小在编译期间被确定，在方法运行期间不会改变

使用 jclasslib插件查看out包下反编译后的字节码文件

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main方法对应的字节码文件

 0 new #1 <iqqcode/jvmstack/LocalVariablesTest01>
 3 dup
 4 invokespecial #2 <iqqcode/jvmstack/LocalVariablesTest01.<init>>
 7 astore_1
 8 bipush 10
10 istore_2
11 aload_1
12 invokevirtual #3 <iqqcode/jvmstack/LocalVariablesTest01.test1>
15 return

package iqqcode.jvmstack;

import java.util.Date;

/**
 * @Author: Mr.Q
 * @Date: 2020-06-25 09:39
 * @Description:局部变量表容量测试
 */
public class LocalVariablesTest01 {
    private int count = 0;

    public static void main(String[] args) {
        LocalVariablesTest01 test = new LocalVariablesTest01();
        int num = 10;
        test.test1();
    }

    public static void testStatic(){
        LocalVariablesTest01 test = new LocalVariablesTest01();
        Date date = new Date();
        int count = 10;
        System.out.println(count);
        //因为this变量不存在于当前方法的局部变量表中！！
        //System.out.println(this.count);
    }

    //关于Slot的使用的理解
    public LocalVariablesTest01(){
        this.count = 1;
    }

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

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

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

    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;
    }

    public void test5Temp() {
        int num;
        //System.out.println(num);//错误信息：变量num未进行初始化
    }
}

槽Slot：

数字数组中存放法的数据类型包括：基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、引用类型（reference引用指针类型）、返回值类型（returnAddress指向字节码指令的地址）

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。

局部变量表和操作数栈底层都是采用数组实现的，所以一旦初始化后，长度是固定不变的

这些数据类型在局部变量表中的存储空间用局部变量槽（Slot）来表示，long和double是64位的占两个槽，其余占一个。

所以局部变量表的容量就是槽的个数，在编译期间就是确定的

变量的分类：

一、按照数据类型分：① 基本数据类型 ② 引用数据类型

二、按照在类中声明的位置分：

① 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
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

② 局部变量：在使用前，必须要进行显式赋值的！否则，编译不通过

4. 操作数栈

栈帧中存储的第二部分数据----操作数栈Operand Stack（也称表达式栈）。

主要用来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。

操作数栈对于数据的存储跟局部变量表是一样的，但是跟局部变量表不同的是，操作数栈对于数据的访问不是通过下标，而是通过标准的栈操作来进行的（压入与弹出）

对于数据的计算是由CPU完成的，所以CPU在执行指令时每次会从操作数栈中弹出所需的操作数，经过计算后再压入到操作数栈顶。

另外，我们说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。

我们通过一个例子来进行代码追踪分析：

public class PCRegisterTest {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 10;
        int j = 20;
        int k = i + j;
    }
}

反编译之后的主体代码：

{
  public iqqcode.pcregister.PCRegisterTest();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 8: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Liqqcode/pcregister/PCRegisterTest;

  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
         0: bipush        10
         2: istore_1
         3: bipush        20
         5: istore_2
         6: iload_1
         7: iload_2
         8: iadd
         9: istore_3
        10: return
      LineNumberTable:
        line 10: 0
        line 11: 3
        line 12: 6
        line 13: 10
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      11     0  args   [Ljava/lang/String;
            3       8     1     i   I
            6       5     2     j   I
           10       1     3     k   I
}
SourceFile: "PCRegisterTest.java"