【JVM基础】虚拟机栈

一：虚拟机栈概述

Java 虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)，早期也叫 Java 栈。每个线程在创建的时候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 Java 方法调用，是线程私有的，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、部分结果，并参与方法的调用和返回。

特点

：

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 直接对虚拟机栈的操作只有两个：每个方法执行，伴随着

入栈

（进栈/压栈），方法执行结束

出栈
栈不存在垃圾回收问题
内存中的栈与堆：栈是运行时的的单位，而堆是存储时的单位。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、放在哪儿？

二：虚拟机栈的基本内容

Java虚拟机栈是什么？
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。
是线程私有的（一条线程一个虚拟机栈）。
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种基本数据类型、对象的引用地址（真正new的对象是存放在堆空间中的））、部分结果，并参与方法的调用和返回。

栈的特点（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：

1：每个方法执行，伴随着

进栈

入栈、压栈

2：执行结束后的

出栈

工作
对于栈来说不存在垃圾回收问题。

原因：

虚拟机栈里的栈帧即对应代码中的一个方法。代码运行的过程，即栈帧入栈出栈的过程。

一个方法执行完，栈帧出栈后，即被销毁。只有入栈出栈这样简单的操作，不需要设计复杂的垃圾回收算法来回收。随着方法的执行，线程的结束正常回收即可。
不存在：GC ，可能存在OOM（内存溢出）

栈中可能出现的异常

：

Java 虚拟机规范允许

Java虚拟机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 虚拟机将会抛出一个

StackOverflowError

异常。例如：在递归函数中，该方法还没有结束，就一直不会出栈，如果循环的次数过多，栈空间有被挤爆的可能。会出现StackOverflowError 栈溢出。栈溢出也是内存溢出的一种情况。
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

可以通过参数
-Xss
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。

栈的存储单位

栈中存储什么？

每个线程都有自己的栈，栈中的数据都是以

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有对应的一个栈帧
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

JVM 直接对 Java 栈的操作只有两个，对栈帧的

压栈

和

出栈

，遵循“先进后出/后进先出”原则
在一条活动线程中，一个时间点上，只会有一个活动的栈帧。即只有当前正在执行的方法的栈帧（

栈顶栈帧

）是有效的，这个栈帧被称为

当前栈帧

（Current Frame），与当前栈帧对应的方法就是

当前方法

（Current Method），定义这个方法的类就是

当前类

（Current Class）
执行引擎运行的所有字节码指令只针对当前栈帧进行操作
如果在该方法中调用了其他方法，对应的新的栈帧会被创建出来，放在栈的顶端，称为新的当前栈帧
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中引用另外一个线程的栈帧
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
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，不管用哪种方式，都会导致栈帧被弹出

栈帧的内部结构

每个

栈帧

（Stack Frame）中存储着：

局部变量表（Local Variables）
操作数栈（Operand Stack）(或称为表达式栈)
动态链接（Dynamic Linking）：指向运行时常量池的方法引用
方法返回地址（Return Address）：方法正常退出或异常退出的地址
一些附加信息

局部变量表

局部变量表也被称之为局部变量数组或本地变量表；
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（返回值）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（局部变量最大槽数）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。
方法嵌套调用的次数由栈的大小决定。一般来说，栈越大，方法嵌套调用次数越多。对一个函数而言，它的参数和局部变量越多，使得局部变量表膨胀，它的栈帧就越大，以满足方法调用所需传递的信息增大的需求。进而函数调用就会占用更多的栈空间，导致其嵌套调用次数就会减少（因为栈空间是有限的！）。
局部变量表中的变量只在当前方法调用中有效。在方法执行时，虚拟机通过使用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，局部变量表也会随之销毁。

字节码中方法内部结构的剖析

关于 Slot 的理解

参数值的存放总是在局部变量数组的index 0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(引用类型也是）只占用一个Slot（包括returnAddress类型），64位的类型（long和double）占用两个Slot。
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。
long和double则占据两个Slot。
JVM会为局部变量表中的每一个Slot都分配一个访问的索引，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；
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；
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。（比如：访问long或double类型变量）

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，其余的参数按照参数表顺序继承排列。

注意：在静态方法中是不允许使用this这一关键字的！因为this变量不存在当前静态方法的局部变量表中！！！

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声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。

//测试重复利用

//结论：局部变量表中只开辟了3个内存空间！

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。因为局部变量表相当于是一个一维数组，空间一旦开辟了，就无法更改，所以c会重复使用作用域较小的b的位置！

int c = a+2;

}

举例：静态变量与局部变量的对比

参数表分配完毕之后，再根据方法体内定义的变量的顺序和作用域分配；
我们知道类变量表有两次初始化的机会，第一次是在链接中的“准备阶段”，执行系统初始化，对类变量设置零值，另一次则是在“初始化”阶段，赋予程序员在代码中定义的初始值（显式赋值）；
和类变量初始化不同的是，局部变量表不存在系统初始化的过程，这意味着一旦定义了局部变量则必须人为的初始化，否则无法使用。

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说到的局部变量表。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！

操作数栈

每个独立的栈帧中除了包含局部变量表之外，还包含一个

后进先出

（Last-In-First-Out）的操作数栈，也可以称为

表达式栈

（Expression Stack）

操作数栈，在方法执行过程中，根据字节码指令，往操作数栈中写入数据或提取数据，即入栈（push）、出栈（pop）

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

作用

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
操作数栈就是 JVM 执行引擎的一个工作区，当一个方法刚开始执行的时候，一个新的栈帧也会随之被创建出来，

此时这个方法的操作数栈是空的
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 属性的
max_stack
数据项中
栈中的任何一个元素都可以是任意的 Java 数据类型
- 32bit 的类型占用一个栈单位深度
- 64bit 的类型占用两个栈单位深度
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操作来完成一次数据访问
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
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

代码举例

字节码指令信息

首先执行第一条语句，PC寄存器指向的是0，也就是指令地址为0，然后使用bipush让操作数15入操作数栈。

执行完后，让PC寄存器 + 1，指向下一行代码，下一行代码就是将操作数栈的元素存储到局部变量表索引1的位置，我们可以看到局部变量表的已经增加了一个元素
解释
为什么局部变量表索引从 1 开始
，因为该方法为
实例方法
，
局部变量表索引为 0 的位置存放的是 this

然后PC寄存器+1，指向的是下一行。让操作数8也入栈，同时执行 istore 操作，存入局部变量表中

然后从局部变量表中，依次将数据取出放在操作数栈中，等待执行 add 操作

将操作数栈的两个元素出栈，执行iadd操作
这里的 iadd 操作具体是：执行引擎将字节码指令翻译成机器指令，然后被CPU进行运算，得出结果，重新放入操作数栈中

然后执行 istore 操作，将操作数23 存储到局部变量表索引为3的位置

栈顶缓存（Top-of-Stack Cashing）技术

根据前面所学的知识，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须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（instruction dispatch）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（ToS ,Top-of-Stack Cashing）技术，

将栈顶元素全部缓存在物理CPU的寄存器中，以此降低内存的读/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）保存在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为了将这些符号引用转换为调用方法的直接引用。

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JVM 是如何执行方法调用的

方法调用不同于方法执行，方法调用阶段的唯一任务就是确定被调用方法的版本（即调用哪一个方法），暂时还不涉及方法内部的具体运行过程。Class 文件的编译过程中不包括传统编译器中的连接步骤，一切方法调用在 Class文件里面存储的都是

符号引用

，而不是方法在实际运行时内存布局中的入口地址（

直接引用

）。也就是需要在类加载阶段，甚至到运行期才能确定目标方法的直接引用。

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

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
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

对应的方法的绑定机制为：早期绑定（Early Binding）和晚期绑定（Late Binding）。

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

。

早期绑定：

早期绑定就是指被调用的目标方法如果在编译期可知，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。
晚期绑定：如果被调用的方法在编译器无法被确定下来，只能够在程序运行期根据实际的类型绑定相关的方法，这种绑定方式就被称为晚期绑定。

虚方法和非虚方法

如果方法在编译器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，比如静态方法、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

虚方法表

在面向对象编程中，会频繁的使用到动态分派，如果每次动态分派都要重新在类的方法元数据中搜索合适的目标有可能会影响到执行效率。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），使用索引表来代替查找。非虚方法不会出现在表中。

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连接阶段被创建并开始初始化，类的变量初始值准备完成之后，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。
一个方法的结束，两种方式：
正常执行完成；
出现未处理的异常，非正常退出。
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。

当一个方法开始执行后，只有两种方式可以退出这个方法：

执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令，会有返回值传递给上层的方法调用者，简称

正常完成出口

一个方法的正常调用完成之后究竟需要使用哪一个返回指令还需要根据方法返回值的实际数据类型而定

在字节码指令中，返回指令包含 ireturn(当返回值是 boolean、byte、char、short 和 int 类型时使用)、lreturn、freturn、dreturn 以及 areturn，另外还有一个 return 指令供声明为 void 的方法、实例初始化方法、类和接口的初始化方法使用。
在方法执行的过程中遇到了异常，并且这个异常没有在方法内进行处理，也就是只要在本方法的异常表中没有搜索到匹配的异常处理器，就会导致方法退出。简称

异常完成出口

方法执行过程中抛出异常时的异常处理，存储在一个异常处理表，方便在发生异常的时候找到处理异常的代码。

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，让调用者方法继续执行下去。

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

附加信息

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，但这些信息取决于具体的虚拟机实现。

原文链接：https://blog.csdn.net/weixin_63566550/article/details/126682771