JVM详解（五）-- 运行时数据区：虚拟机栈

一、虚拟机栈概述

1.1 出现的背景

由于跨平台性的设计，Java指令都是根据栈来设计的。优点是跨平台、指令集小、变压器你容易实现；缺点是性能下降，实现同样的功能需要更多的指令。

1.2 内存中的栈与堆

栈是运行时的单位，而堆是存储的单位。
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。

1.3 基本概念

1. 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 调用。
2. 线程私有，生命周期与线程一致。
3. 主管 Java 程序的运行，它保存方法的局部变量、部分结果，并参与方法的调用和返回。

1.4 栈的优点

1. 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。
2. JVM 直接对 Java 栈的操作只有两个：
   a. 每个方法执行，伴随着进栈（入栈、压栈）。
   b. 执行结束后的出栈。
3. 对于栈来说不存在垃圾回收问题，有 OOM 的问题。

1.5 栈中可能出现的异常

java 虚拟机规范允许 Java 栈的大小是动态的或者固定不变的。

1. 如果采用固定大小的java虚拟机栈，那每一个线程的 Java 虚拟机栈容量可以在线程创建的时候独立选定。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 虚拟机栈将会抛出一个 StackOverflowError 异常。
2. 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。

二、栈的存储单位

2.1 栈的基本结构

1. 每个线程都有自己的栈，栈中的数据都是以栈帧的格式存在。
2. 在这个线程上正在执行的每个方法都各自对应一个栈帧（Stack Frame）。
3. 栈帧是一个内存区块，是一个数据集，保存了方法的局部变量、部分结果，并参与方法的调用和返回。

2.2 栈运行原理

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，执行方法时入栈，执行结束时出栈。
2. 执行引擎运行的字节码指令只针对当前栈帧。
3. 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。
4. 如果当前方法调用了其它方法，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。
5. 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；另一种是抛出异常（异常没有被 catch 处理）。不管使用哪种方式，都会导致栈帧被弹出。

2.3 栈帧的内部结构

每个栈帧存储着：

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。

2.3.1 局部变量表

1. 局部变量表也被称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 类returnAddress型。
3. 局部变量表建立在线程的栈上，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值存储在maximum local variables参数中，在编译期就已经确定大小，运行期间不会被改变。

局部变量中存放的数据分析

1. 参数值的存放总是在局部变量数组的index0开始，到数组长度-1的索引结束。
2. 局部变量数组，最基本的存储单元是Slot（变量槽）。
3. 局部变量表中存放编译器可知的各种基本数据类型（8种），引用类型（reference）, returnAddress类型。
4. 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（long和double）占用两个slot。前面提到局部变量表是数字型数组，是因为：byte、short、char 在存储前被转换为int，boolean 也被转换为int，0表示false，非0表示 true。

局部变量与方法调用

1. 方法嵌套调用的次数由栈的大小决定。栈越大，方法嵌套调用次数越多。参数和局部变量越多，局部变量表越大，栈帧越大，栈能存放的方法嵌套调用次数越少。
2. 局部变量表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，局部变量表也会被销毁。

Slot

1. 参数值的存放总是在局部变量数组的index0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）。
3. 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。
4. 在局部变量表中，32位以内的类型只占用一个slot（包括returnAddress类型），64位类型（long和double）占用两个slot。
   • byte、short、char 在存储其按被转换为int，boolean 也被转换为int，0表示false，非0表示true。
   • long和double占用两个slot，float占用一个slot。
5. 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。
6. 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。
7. 如果需要访问局部变量表中有个64bit的局部变量值时，只需要使用前一个索引即可。
8. 如果当前帧是由构造方法或者实例方法创建的没那么该对象引用this将会存放在索引为0的slot处，其余的参数按照参数表顺序继续排列。
   

slot的重复利用
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的新的局部变量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。

public Class SlotTest{
	public test(){
		int a = 0;
		{
			int b = 0;
			b = a + 1;
		}
	}
	// 变量c使用之已经销毁的变量b占据slot
	int c = a + 1;
}

2.3.2 变量的分类

按照数据类型分类：基本数据类型和引用数据类型；
按照在类中声明的位置分：成员变量和局部变量，成员变量根据是否被static修饰又可分为：
类变量: linking的prepare阶段给类变量赋默认值，initial阶段，给类变量显示赋值即静态代码块赋值。
实例变量: 随着类实例的创建，会在堆空间中分配实例变量空间，并进行赋默认值。
总之，成员变量在使用前都经历过初始化赋值
而局部变量，在使用前必须被代码显示赋值，否则编译不通过。如：

public Class SlotTest{
	int num;
	System.out.pritln(num); //错误信息，变量num未初始化
}

2.3.3 补充说明

• 在栈帧中，与性能调优关系最为密切的部分就是前面提到的局部变量表。在方法执行时，虚拟机使用局部变量表完成方法的传递。
• 局部变量表中的变量也是重要的垃圾回收根节点，只要被局部变量表中直接或间接引用的对象都不会被回收。

三、操作数栈

每一个独立的栈帧中除了包含局部变量表之外，还包含一个操作数栈。
操作数栈，在方法执行的过程中，根据字节码指令，往栈中写入数据或提取数据，即入栈/出栈。
- 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。
- 比如：执行复制、交换、求和等操作。

代码举例：

• 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。
• 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，这由编译器在编译期间进行验证，同时在类加载过程中的类检验阶段的数据流分析阶段还要再次验证。
• 另外，我们说JVM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，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。IDE的工作区？
• 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max_stack的值。操作数栈是由数组实现的。
• 栈中的任何一个元素都可以是任意的Java数据类型。32位占一个栈深度，64位占2个
• 操作数栈并非采用访问索引的方式来进行数据访问的，而是只能通过标准的入栈和出栈的操作来完成一次数据访问。

四、代码追踪

画出以下代码在运行过程中虚拟机栈（局部变量表、操作数栈）和PC寄存器的变化

public Class test{
	public int void main() {
		int a = 15;
		byte b = 8;
		int c = a + b;
		return c; 
	}
}

程序员面试中，常见的 i++和++i的区别，从字节码的角度解释。

public void add(){
//第1类问题
int i1 = 10;
i1++;

int i2= 10;
++i2;

//第2类问题
int i3 = 10;
int i4 = i3++;

int i5 = 10;
int i6 = ++i5;

//第3类问题
int i7 = 10;
i7 = i7++;

int i8 = 10;
i8 = ++i8;

//第4类问题
int i9 = 10;
int i10 = i9++ + ++i9;
}

五、栈顶缓存技术（做了解）

前面提过，基于栈式架构的虚拟机所使用的零地址指令更加紧凑，但完成一项操作的时候必然需要使用更多的入栈和出栈指令，这同时也就意味着将需要更多的指令分派次数和内存读写次数。
由于操作数是存储在内存中的，因此频繁地执行内存读写操作必然会影响执行速度，为了解决这个问题，Hotspot JVM的设计者们提出了栈顶缓存技术，将栈顶元素全部缓存在物理CPU的寄存器中（指令集少，执行速度快），以此降低对内存的读写次数，提升执行引擎的执行效率。

六、动态链接（指向运行时常量池的方法引用）

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是，所有的变量和方法引用都作为符号引用保存在class 文件的常量池中。比如：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这些符号引用转换为调用方法的直接引用。

为什么需要常量池呢？
常量池的作用就是为了提供一些符号和常量，便于指令的识别。

七、方法的调用：解析与分派

7.1 方法的调用

在 JVM 中，将符号引用转换为调用方法的直接引用与方法的绑定机制有关。

1. 静态链接。当一个字节码文件被装载进JVM内部时，如果被调用的目标方法在编译期可知，且运行期保持不变时，这种情况下将调用方法的符号引用转换为直接引用的过程称之为静态链接。
2. 动态链接。如果被调用的方法在编译期无法被确定下来，也就是说，只能够在程序运行期将调用方法的符号引用转换为直接引用，由于这种引用转换过程具备动态性，因此也就被称之为动态链接。
   对应方法的绑定机制为：早期绑定和晚期绑定。绑定是一个字段、方法或者类在符号引用被替换为直接引用的过程，这仅仅发生一次。
3. 早期绑定。就是指被调用的目标方法如果在编译器可知，且运行期保持不变时，即可将这个方法与所属的类型进行绑定，这样一来，由于明确了被调用的目标方法究竟是哪一个，因此也就可以使用静态链接的方式将符号引用转换为直接引用。
4. 晚期绑定。如果被调用的方法在编译期无法被确定下来，只能够在程序运行期根据实际的类型绑定相关的方法，这种绑定方式也就被称之为晚期绑定。

7.2 虚方法和非虚方法

多态：类的继承关系、方法的重写。
虚拟机中提供了以下几条方法调用指令：

• 普通调用指令
  1. invokestatic:调用静态方法，解析阶段确定唯一方法版本
  2. invokespecial：调用方法、私有及父类方法，解析阶段唯一方法版本
  3. invokevirtual：调用所有虚方法
  4. invokeinterface：调用接口方法
• 动态调用指令
  5. invokedunamic：动态解析出需要调用的方法，然后执行
     前四条指令固化在虚拟机内部，方法的调用执行不可人为干预，而invokedynamic指令则支持由用户确定方法版本。其中invokestatic指令和invokespecial指令调用的方法称为非虚方法，其余的（final修饰的方法除外）称为虚方法。

invokedynamic
JVM 字节码指令集一直比较稳定，一直到Java7中才增加了一个invokedynamic指令，这是java为了实现 动态类型语言 支持而做的一种改进。
但是在Java7中并没有提供直接生成invokedynamic指令的方法，需要借助ASM这种底层字节码工具来产生invokedynamic的指令。直到Java8的Lambda表达式的出现，invokedynamic指令的生成，在Java中才有了直接的生成方式。

动态类型语言和静态类型语言
动态类型语言和静态类型语言两者的区别就在于对类型的检查是在编译期还是在运行期，满足前者就是静态类型语言，反之就是动态类型语言。

因为方法重写的出现，导致我们出现虚方法的调用方式
java方法重写的本质：

1. 找到操作数栈顶的第一个元素所执行的对象的实际类型，记作C。
2. 如果在类型C 中找到与常量中的描述符合简单名称都相符的方法，则进行访问权限校验，如果通过则返回这个方法的直接引用，查找过程结束；如果不通过，则返回 Java.lang.IllegalAccessError 异常。
3. 否则，按照继承关系从下往上依次对C的各个父类进行第2步的搜索和验证过程。
4. 如果始终没有找到合适的方法，则抛出 Java.lang.AbstractMethodError异常。
   IllegalAccessError 介绍：
   程序试图访问或修改一个属性或调用一个方法，这个属性或方法，你没有权限访问。一般的，这个会引起编译器异常。这个错误如果发生在运行时，就说明一个类发生了不兼容的改变。（maven中jar冲突）

八、方法返回地址

存放调用该方法的PC寄存器的值（值是下一条指令的地址）。
一个方法的结束，有 正常执行完成 和 出现未处理的异常，非正常退出 两种方式。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，返回地址是要通过异常表来确定，栈帧中一般不会保存这部分信息。

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，让调用方法继续执行下去。

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。

九、一些附加信息

不确定有，由JVM的具体实现决定。
栈帧中还允许携带与Java虚拟机实现相关的一些附加信息。例如，对程序调试提供支持的信息。

十、相关面试题

1. 举例栈溢出的情况？
   StackOverflowError和OutOfMemory。通过-Xss设置栈的大小。如果栈大小是静态不变的，则空间不足时，属于StackOverflowError，如果栈大小是动态改变的，那么空间不足时，属于OutOfMemory。
2. 调整栈的大小，就能保证不出现溢出吗？
   不能。递归没有递归出口，一定就栈溢出了。
3. 分配的栈内存越大越好吗？
   不是。计算机的内存资源是固定的，栈太大会挤占其它部分的空间。
4. 垃圾回收是否会涉及到虚拟机栈？
   不会。程序计数器不存在Error（StackOverflowError、OOM），也不存在GC，虚拟机栈和本地方法栈存在Error，但不存在GC。堆、方法区存在Error，也存在GC。
5. 方法中定义的局部变量是否线程安全？
   具体问题具体分析。主线程和在主线程中新开的线程访问同一个局部变量，非线程安全。

参考文献

https://mp.weixin.qq.com/s/GO2fAeGgaB2jIC02gWp5Aw