JVM中的Stack和Frame

JVM执行Java程序时需要装载各种数据，比如类型信息（Class）、类型实例（Instance）、常量数据（Constant）、本地变量等。不同的数据存放在不同的内存区中，这些数据内存区称作“运行时数据区（Runtime Data Area）”。运行时数据区有这样几个重要区：JVM Stack（简称Stack或者虚拟机栈、线程栈、栈等），Frame（又称StackFrame/栈帧、方法栈等），Heap（堆/GC堆，即垃圾收集的对象所在区）。下面简单介绍一下Stack和Frame，对于Heap，请参考垃圾收集相关文章。

概览

单个线程内共享的区：PC Register/JVM Stack/Native Method Stack。
所有线程共享的区：Heap/Method Area/Runtime Constant Pool。

上图：运行时数据区。重点是每个线程拥有的PCRegister/Stack以及线程共享的Heap以及常量池（ConstantPool）

 

上图：线程栈（VM Statck/Stack）包含的栈帧（Frame）。重点是栈帧和它的结构，操作栈（OperandStack）以及常量池引用。

Stack

结构：{JVM Stack [Frame][Frame][Frame]... }。
JVM Stack在每个线程被创建时被创建，用来存放一组栈帧（StackFrame/Frame）。
JVM Statck的大小可以是固定的，也可以是动态扩展的。如果线程需要一个比固定大小大的Stack，会发生StackOverflowError；如果动态扩展Stack时没有足够的内存或者系统没有足够的内存为新线程创建Stack，发生OutOfMemoryError。

Frame

结构：{Frame [ReturnValue] [LocalVariables[][][][]...] [OperandStack [][][]...] [ConstPoolRef] }
每次方法调用均会创建一个对应的Frame，方法执行完毕或者异常终止，Frame被销毁。一个方法A调用另一个方法B时，A的frame停止，新的frame被创建赋予B，执行完毕后，把计算结果传递给A，A继续执行。

局部变量表
局部变量表的大小在编译期就被确定。基元类型数据以及引用和返回地址（returnAddress）占用一个局部变量大小，long/double需要两个。

Java代码“int a=0;int b=1;int c=2;”对应的局部变量表如下：

LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
2 12 0 a I
4 10 1 b I
6 8 2 c I

Start: 变量偏移量。
Length: 作用域范围长度。[Start,Start+Length)就是该变量的作用域。
Slot: 一个Slot能存储32bit的数据类型、引用、返回地址，long/dobule需要两个Slot。

操作栈（OperandStack）
Frame被创建时，操作栈是空的。操作栈的每个项可以存放JVM的各种类型数据，包括long/double。
操作栈有个栈深，long/double贡献两个栈深。
操作栈调用其它有返回结果的方法时，会把结果push到栈上。

Java代码：

int a=1;
int b=2;
int c=a+b;

对应的指令：

0: iconst_1 // push 1到操作栈。大于5的int值会用到 bipush <i> 指令。
1: istore_0 // pop 顶元素，存储到index=0的本地变量。
2: iconst_2 // push 2 到操作栈
3: istore_1 // pop栈顶元素，存储到index=1的本地变量。
4: iload_0  // 把index=0的本地变量加载到栈顶
5: iload_1  // 把index=1的本地变量加载到栈顶
6: iadd     // 把栈顶两个数pop出来相加，并把结果存放到栈顶
7: istore_2 // 结果存储到index=2的本地变量

Reference

1. http://blog.jamesdbloom.com/JVMInternals.html 

2. http://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/jvms-2.html#jvms-2.5 

3. 《深入理解Java虚拟机》