虚拟机栈概述

背景:

• 由于跨平台性的设计，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

内存中的栈和堆:

• 栈是运行时的单位,即程序如何执行，而堆是存储的单位,数据怎么放，放在哪儿。

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，其内部保存一个个栈帧(Stack Frame)，对应着一次次的 Java 方法调用
• 是线程私有的
• 生命周期和线程一致
• 主管 Java 程序运行，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)、部分结果、并参与方法的调用和返回。

栈的特点：

• 栈是一种快速高效的分配存储方法，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、压栈)。执行结束后的出栈工作。
• 对于栈来说不存在垃圾回收问题 

栈的存储单位

栈中的存储:

• 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对应一个栈帧(Stack Frame)
• 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:

public class StackFrameTest {
    public static void main(String[] args) {
        StackFrameTest stackFrameTest = new StackFrameTest();
        stackFrameTest.method1();
    }
    public void method1(){
        System.out.println("method1() 开始执行");
        method2();
        System.out.println("method1() 执行结束");
    }

    public int method2(){
        System.out.println("method2() 开始执行");
        int i = 10;
        int m = (int) method3();
        System.out.println("method2() 即将结束");
        return i + m;
    }

    public double method3(){
        System.out.println("method3() 开始执行");
        double j = 20.0;
        System.out.println("method3() 即将结束");
        return j;
    }
}

• JVM 直接对 Java 栈的操作只有两个，这就是对栈的压栈和出栈，遵循“先进后出” 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，称为新的当前帧
• 不同的线程中所包含的栈帧是不允许相互引用的，即不可能在一个栈帧之中引用另外一个线程的栈帧
• 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称为当前栈帧
• Java 方法有两种返回函数的方式，一种是正常函数返回，使用 return 指令，另外一种是抛出异常

栈帧的内部结构:

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

局部变量表(Local Variables)

• 局部变量表也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，是线程私有树，因此不存在数据安全问题
• 局部变量表所需的容量大小是编译期确定下来的，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
• 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
• 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产地过程。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

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，嘴基本的存储单元是 Slot (变量槽)
• 局部变量表中存放编译器可知的各种数据类型(8种)，引用类型 (reference), returnAddress 类型的变量
• 在局部变量表里，32位以内的数据只占用一个 slot(包括 returnAddress 类型)，64位的类型(long 和 double) 占用两个 slot。 byte、short、char、boolean 在存储前被转换为 int
• JVM 会为局部变量表种的每一个 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
• 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 64 bit de 局部变量值时，只需要使用前一个索引即可
• 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

静态变量和局部变量的对比:

• 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
• 类变量表有两次初始化的机会，第一次是在 " 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
• 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

操作数栈(Operand Stack):

• 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(push) / 出栈(pop)
• 某些字节码指令将压入操作数栈，其余的字节码指令将操作数取出栈。使用它们后再压入栈。
• 比如: 执行复制、交换、求和等操作
• 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，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，其所需要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
• 栈中的任何一个元素都是可以任意的 Java 数据类型，32b 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(push) 和 出(pop) 操作完成一次数据访问
• 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操作引擎，其中的栈指的就是操作数栈

public class testAddOperation {
    public static void main(String[] args) {
        byte i = 15;
        int j = 8;
        int k = i + j;
    }
} 

// javap -verbose .\testAddOperation.class
public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: bipush        15
         2: istore_1
         3: bipush        8
         5: istore_2
         6: iload_1
         7: iload_2
         8: iadd
         9: istore_3
        10: return
      LineNumberTable:
        line 5: 0
        line 6: 3
        line 7: 6
        line 8: 10
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      11     0  args   [Ljava/lang/String;
            3       8     1     i   B
            6       5     2     j   I
           10       1     3     k   I

代码追踪

步骤1-4:

 步骤5-8:

栈顶缓存技术

• 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
• 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，以此降低对内存的读 / 写次数，提升执行引擎的执行效率

动态链接(Dynamic Linking)

• 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的方法引用。包含这个引用的目的就是为了支持当前方法的代码实现动态链接(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做为符号引用(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

public class DynamicLinkingTest {
    int num = 10;
    public void methodA(){
        System.out.println("methodA()...");
    }

    public void methodB(){
        System.out.println("methodB()...");
        methodA();
        num++;
    }
}

方法的调用:解析和分派

• 在JVM 中，将符号引用转换为调用方法来直接引用与方法的绑定机制相关
• 由于一些编程语言保持着支持封装、继承和多态的面向对象特性，那么自然也就具备了早期绑定和晚期绑定方式
• Java 中任何一个普通的方法都具备虚函数的特征，如果在java 程序中不希望某个方法拥有虚函数的特征时，则可以使用关键字 final 来标记这个方法

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，由于这种引用转换具备动态性，因此也就称之为动态链接

对应的方法绑定机制为:  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：

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，这样依赖，由于明确了被调用的目标究竟是哪一个，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期无法被确定下来，只能够在程序运行期根据实际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

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。
• 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

调用指令:

调用类型	指令	说明
普通调用指令	invokestatic	调用静态方法,解析阶段确定唯一方法版本
	invokespecial	调用<init>方法, 私有及父类方法，解析阶段确定唯一方法版本呢
	invokevirtual	调用所有虚方法
	invokeinterface	调用接口方法
动态调用指令	invokedynamic	动态解析出需要调用的方法，然后执行

class Father{
    public Father(){
        System.out.println("father的构造器");
    }

    public static void showStatic(String str){
        System.out.println("father " + str);
    }

    public final void showFinal(){
        System.out.println("father show final");
    }

    public void showCommon(){
        System.out.println("father 普通方法");
    }
}

interface Func{
    public boolean func(String str);
}
public class Son extends Father{
    public Son(){
        //  invokespecial
        super();
    }

    public Son(int age){
        //  invokespecial
        this();
    }

    // 静态方法不能被重写
    public static void showStatic(String str){
        System.out.println("son " + str);
    }

    private  void showPrivate(String str){
        System.out.println("son private " + str);
    }

    public void show(){
        // invokestatic
        showStatic("hello");
        // invokestatic
        super.showStatic("good!");
        // invokespecial
        showPrivate("world");
        // invokespecial
        super.showCommon();
        // invokevirtual,当显示的增加 super. 会变成invokespecial
        // 由于此方法声明有 final，不能被子程序重写，因此为非虚方法
        showFinal();
        // invokevirtual
        showCommon();
        info();
        MethodInterface in = null;
        //  invokeinterface
        in.methodA();
    }

    public void info(){

    }
    public void lambda(Func func){
        return;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Son son = new Son();
        son.show();

        Func func = s-> {
            return true;
        };
        son.lambda(func);

        son.lambda(s->{
            return true;
        });
    }
}

动态类型语言和静态类型语言:

• 静态类型语言是判断变量自身的类型信息
• 动态类型语言是判断变量值的类型信息，变量没有类型信息，变量值才有

Java 语言中方法重写的本质:

• 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
• 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
• 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
• 如果始终没有找到合适的方法，则抛出 java.lang.AbstractMethodEroor 异常

IllegalAccessError 介绍:

程序视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，这个会导致编译期异常。这个错误如果发生在运动时，就说明一个类发生了不兼容的改变

虚方法表:

• 在面向对象的编程中，会频繁的使用动态分派，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
• 每个类都有一个虚放发表，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之后，JVM 会把该类的放发表也初始化完毕 

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，有两种方式: 正常执行完成，出现未处理的异常，非正常退出
• 无论通过哪种方法退出，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去欸的那个，栈帧中一般不会保存这部分信息
• 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

一些附加信息

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

栈的相关面试题

栈种可能出现的问题：

Java 虚拟机规范允许 Java 栈的大小是动态的或者固定不变的，可使用 -Xss 来设置线程最大栈空间。

public class StackErrorTest {
    // 栈种异常
    private static int count = 1;
    public static void main(String[] args) {
        // 可以在设置 -Xss256k后 再运行查看 count 的最大值
        System.out.println(count);
        count++;
        main(args);
    }
}

• 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