简述
栈帧(Stack Frame)是用于支持虚拟机进行方法调用和方法执行的数据结构。它是虚拟机运行时数据区中的虚拟机栈的栈元素。
栈帧存储了方法的局部变量表、操作数栈、动态链接和方法返回地址等信息。
总的来看,其结构大概如下图黄色区域那样。
在单个线程中,每一个调用方法jvm都会为其分配一个栈帧。上图中,main方法中包含一个栈帧,然后在main方法里面调用了computer()方法,然后这个computer()方法也会含有自己的栈帧。另外每个栈帧内部都含有自己的局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址等信息。
局部变量表
局部变量表是一组变量值存储空间,用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量。在Java程序编译为Class文件时,就在方法表的Code属性的max_locals数据项中确定了该方法需要分配的最大局部变量表的容量。在方法执行时,虚拟机是使用局部变量表完成参数变量列表的传递过程,如果是实例方法,那么局部变量表中的每0位索引的Slot默认是用于传递方法所属对象实例的引用,在方法中可以通过关键字“this”来访问这个隐含的参数,其余参数则按照参数列表的顺序来排列,占用从1开始的局部变量Slot,参数表分配完毕后,再根据方法体内部定义的变量顺序和作用域来分配其余的Slot。局部变量表中的Slot是可重用的,方法体中定义的变量,其作用域并不一定会覆盖整个方法,如果当前字节码PC计算器的值已经超出了某个变量的作用域,那么这个变量对应的Slot就可以交给其它变量使用。
下面举个简单栗子,取部分java代码
int a = 10;
int b = 20;
int c = a + b;
将其编译成class文件后,再使用javap 命令反编译得到对应部分的字节码如下
0: bipush 10
2: istore_1
3: bipush 20
5: istore_2
6: iload_1
7: iload_2
8: iadd
9: istore_3
其中0 :bipush就是将数字10推入操作数栈,2:istore_1将操作数栈顶的第一个数字存入到局部变量表中的第一个变量中,也就是将10赋值给变量a。然后后面的都是同理。
操作数栈
操作数栈也常被称为操作栈,它是一个后入先出栈。同局部变量表一样,操作数栈的最大深度也是编译的时候被写入到方法表的Code属性的max_stacks数据项中。操作数栈的每一个元素可以是任意Java数据类型,包括long和double。32位数据类型所占的栈容量为1,64位数据类型所占的栈容量为2。栈容量的单位为“字宽”,对于32位虚拟机来说,一个”字宽“占4个字节,对于64位虚拟机来说,一个”字宽“占8个字节。 当一个方法刚刚执行的时候,这个方法的操作数栈是空的,在方法执行的过程中,会有各种字节码指向操作数栈中写入和提取值,也就是入栈与出栈操作。例如,在做算术运算的时候就是通过操作数栈来进行的,又或者调用其它方法的时候是通过操作数栈来行参数传递的。
动态链接
每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用,持有这个引用是为了支付方法调用过程中的动态连接(Dynamic Linking)。
在类加载阶段中的解析阶段会将符号引用转为直接引用,这种转化也称为静态解析。另外的一部分将在每一次运行时期转化为直接引用。这部分称为动态连接。
有点抽象,只有慢慢理解了。
方法返回地址
当一个方法开始执行后,只有2种方式可以退出这个方法 :
-
方法返回指令 : 执行引擎遇到一个方法返回的字节码指令,这时候有可能会有返回值传递给上层的方法调用者,这种退出方式称为正常完成出口。
-
异常退出 : 在方法执行过程中遇到了异常,并且没有处理这个异常,就会导致方法退出。
无论采用何种方式退出,在方法退出之前,都需要返回到方法被调用的位置,程序才能继续执行,方法返回时可能需要在栈帧中保存一些信息,用来帮助恢复它的上层方法的执行状态。一般来说,方法正常退出时,调用者PC计数器的值就可以作为返回地址,栈帧中很可能会保存这个计数器值。而方法异常退出时,返回地址是要通过异常处理器来确定的,栈帧中一般不会保存这部分信息。
方法退出的过程实际上等同于把当前栈帧出栈,因此退出时可能执行的操作有:恢复上层方法的局部变量表和操作数栈,把返回值(如果有的话)压入调用都栈帧的操作数栈中,调用PC计数器的值以指向方法调用指令后面的一条指令等。