虚拟机栈

由于跨平台的设计，java的指令都是根据栈来设计的。不同平台CPU架构不同，所以不能设计为基于寄存器的

优点是跨平台，指令集小，编译器容易实现，缺点是性能下降，实现同样的功能需要更多的指令。

栈是运行时的单位，而堆是存储的单位。

即：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

Java虚拟机栈

• 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。
• 线程私有的。
• 生命周期和线程一致
• 作用：主管java程序的运行，它保存方法的局部变量（8中基本数据类型、对象的引用地址）、部分结果，并参与方法的调用和返回。

栈的优点：

• 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：
  • 每个方法执行，伴随着进栈（入栈）
  • 执行结束后的出栈工作
• 对于栈来说不存在垃圾回收问题，但存在OOM（溢出）

栈可能出现的异常

Java虚拟机规范允许java栈的大小是动态的或者是固定不变的。

• 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创建线程的时候独立选定。如果线程请求分配的栈容量超过java虚拟机允许的最大容量，java虚拟机将会抛出一个StackOverflowError异常。
• 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

设置栈内存的大小

我们可以使用参数-Xss选项来设置线程的最大栈空间，栈的大小直接决定了函数调用的最大可达深度。

栈中存储什么？

• 每个线程都有自己的栈、栈中的而数据都是以栈帧（Stack Frame）的格式存在。
• 在这个线程上正在执行的每个方法都各自对应一个栈帧
• 栈帧是一个内存区块，是一个数据集，维系着方法执行过程中的各种数据信息。

栈运行原理

• 不同线程中包含的栈帧是不允许相互引用的，即不可能在一个栈帧中引用另一个线程的栈帧
• 如果当前方法调用了其他方法，方法返回之际，当前栈帧会传入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
• java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

栈帧的内部结构

每个栈帧存储着：

• 局部变量表（Local Variables）
• 操作数栈（Operand Stack）（或表达式栈）
• 动态链接（Dynamic Linking）（或指向运行时常量池的方法引用）
• 方法返回地址（return Address）（或方法正常退出或者异常退出的定义）
• 一些附加信息

后三者也被称为帧数据区

局部变量表

• 局部变量表也被称之为局部变量数据或本地变量表
• 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（reference），以及returnAddress类型
• 由于局部变量表是建立在线程的栈上，是线程的私有数据，因此不存在数据的安全问题
• 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。

变量槽slot

• 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。
• 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
• 在局部变量表里，32位以内的类型只占用一个slot（包括returnAddress），64位类型（long和double）占用两个slot
  • byte、short、char在存储前被转换为int，boolean也为转换为int，0表示false，非0表示true
  • long和double占据两个slot
• 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值
• 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赋值到局部变量表中的每一个slot上
• 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（如long或double）
• 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，其余参数按照参数表顺序继续排列
• 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。

补充说明

• 在栈帧中，与性能调优关系最为密切的部分就是局部变量表，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。

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，即入栈和出栈

• 某些字节码指令将值压入操作数栈，其余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
• 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要再次验证
• 我们所说的java虚拟机的解释引擎是基于栈的执行引擎，其中栈值得就是操作数栈。

栈顶缓存技术

基于栈式架构的虚拟机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，这同时也就意味着更多的指令分派（instruction dispatch）次数和内存读/写次数。

而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（ToS，Top-of-Stack Caching），将栈顶元素全部缓存在物理CPU的寄存器中，以此降低对内存的读写次数，提升执行引擎的执行效率。

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（Dynamic Linking）。比如：invokedynamic指令
• 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（Symbolic Reference）保护在class文件的常量池里。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将符号引用转换为调用方法的直接引用。

方法的调用

方法绑定机制

在JVM中，将符号引用转为调用方法的直接引用与方法的绑定机制相关。

• 静态链接：当一个字节码文件被装在仅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。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为静态链接。
• 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，因此也就被称为动态链接。

上面两种链接对应早期绑定和晚期绑定（多态）

虚方法与非虚方法

• 如果方法在编译期就确定了具体的调用版本，这个版本在运行时是不可变的。这样的方法称为非虚方法
• 静态方法、私有方法、final方法、实例构造器、父类方法都是非虚方法
• 其他方法称为虚方法

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和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一次对c的各个父类进行第二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

虚方法表

• 在面向对象的编程中，会很频繁的使用到动态分派，如果在每次动态分派的过程中都要重新在类的方法元数据中搜索合适的目标的话就可能影响到执行效率。因此，为了提高性能，JVM采用在类的方法区建立一个虚方法表（virtual method table）（非虚方法不会出现在表中）来实现。使用索引表来代替查找
• 每个类中都有一个虚方法表，表中存放着各个方法的实际入口
• 虚方法表会在类加载的链接阶段被创建并开始初始化，类的变量初始值准备完成后，JVM会把该类的方法表也初始化完毕。

方法返回地址

存放调用该方法的PC寄存器的值

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。