一、概述

1.1、虚拟机栈背景

        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。

1.2、虚拟机栈内容

1.2.1、虚拟机栈概念

        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），每个栈帧对应着一次的Java方法调用，是线程私有的。

1.2.2、生命周期

        Java虚拟机栈的生命周期和线程一致

1.2.3、作用

        主管Java程序的运行，保存方法的局部变量、部分结果，并参与方法的调用和返回。

1.2.4、栈的特点

        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（栈存在溢出的情况）

1.3、栈开发中的异常

1.3.1、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，程序不断的进行递归调用，而且没有退出条件，就会导致不断地进行压栈。
• 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、栈中存储的内容

• 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。

2.2、栈运行原理

2.2.1、运行流程

• JVM直接对Java栈的操作只有两个，就是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），与当前栈帧相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，成为新的当前帧。

2.2.2、注意

• 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。
• 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。

2.3、栈帧的内部结构

• 局部变量表（Local Variables）
• 操作数栈（operand Stack）（或表达式栈）
• 动态链接（DynamicLinking）（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

2.3.1、局部变量表（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。
• 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。

1.slot变量槽

• 局部变量表，最基本的存储单元是Slot（变量槽）
• 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、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doub1e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续排列。

2.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。

3.静态变量和局部变量的对比

变量分类：

• 按照数据类型分：基本数据类型，引用数据类型
• 按照在类中声明的位置分：
  • 成员变量（static修饰静态变量，实例变量）：使用前都经历过默认初始化赋值
    • 类变量：linking的prepare阶段，给类变量默认赋值；initial阶段，给类变量显式赋值即静态代码块赋值
    • 实例变量：随着对象的创建，在堆空间中分配实例变量空间，并进行默认赋值
  • 局部变量：在使用前，必须进行显式赋值，否则，编译不通过

 注意：局部变量表中的变量是垃圾回收的重要根节点。被局部变量表中直接或间接引用的对象都不会被回收。

2.3.2、操作数栈

        每个独立的栈帧中除了局部变量表之外还包含操作数栈（表达式栈）

• 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（push）和出栈（pop）
• 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。
• 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
• 操作数栈只能通过出入栈访问数据，不能使用索引

栈顶缓存技术

       将栈顶元素缓存在物理CPU的寄存器中，降低对内存的读写次数，提升执行引擎的执行效率。

2.3.3、动态链接

概念：

        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

方法的调用：

• 静态链接：字节码文件装载至JVM时，被调用的方法在编译期可知
• 动态链接：字节码文件装载至JVM时，被调用的方法在编译期不可知，在运行时可知

对应的绑定机制：绑定是一个字段、方法或类的符号引用被替换为直接引用的过程，只发生一次

• 早期绑定：目标方法在编译期可知，且运行时保持不变
• 晚期绑定：编译期无法确定，程序运行时根据实际类型绑定相关方法

虚方法和非虚方法：

• 非虚方法：

1. 编译期确定调用版本，在运行时不可变
2. 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
3. 其他方法称为虚方法

• 虚方法表

 2.3.4、方法返回地址

        存放调用该方法的PC寄存器（该方法调用的下一条指令的值）的值