JVM之栈

1、虚拟机栈的主要特点

1.1、内存中的栈与堆

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，放在哪儿。

1.2、Java虚拟机栈是什么？

• java虚拟机栈，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，对应者一次次的java方法调用。
• 是线程私有的
• 声明周期和线程一致
• 主管java线程的运行，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），部分结果，并参与方法的调用和返回

1.3、栈的优点

• 栈是一种快速有效的分配存储方式，访问速度仅此于程序计数器。
• 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

2、虚拟机栈常见异常与如何设置栈大小

2.1、栈中可以出现的异常

java虚拟机规范运行java栈的大小是动态或者固定不变

• 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(栈溢出)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，或在创建新的线程时没有足够的存储去创建对应的虚拟机栈，那java虚拟机将会抛出一个OutOfMemoryError(内存溢出)异常。

2.2、设置栈内存大小

可以使用参数-Xss 选项来设置线程的最大栈空间，栈的大小直接决定函数最大可达深度

/*
* 默认情况下栈溢出10930
* 设置-Xss256k后2321就出问题了*/
public class StackError {
    public static int count=1;
    public static void main(String args[]){
        System.out.println(count);
        count++;
        main(args);
    }
}

可以设置k、m、g

3、虚拟机栈的运行原理

3.1、运行原理

• 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“先进先出”/“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。即只有当前真正执行的方法的栈帧（栈顶栈帧）是有效的，这个栈帧被称为当前栈帧，与当前栈帧相对应的方式就是当前方法，定义这个方法的类就是当前类。
• 执行引擎运行的索引字节码指令只针对当前栈帧进行操作。
• 如果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。
• 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；另外一种就是抛出异常（没有try_catch）。不管使用哪种方式，都会导致栈帧被弹出。

3.2、代码示例

进栈出栈

捕获异常

不处理异常

4、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）
• 动态连接（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）
• 一些附件信息

4.1、局部变量表

4.1.1、结构认识

• 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、对象应用，以及返回值类型
• 由于局部变量表示建立在线程的栈上，是程序私有数据，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maxinum local variables数据项中。在方法运行期间是不糊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。

代码示例

ideajclasslib插件

方法的概述

操作指令

局部变量和指令地址长度

字节码指令对应行号

局部变量作用域（作用字节码指令地址长度）

4.1.2、Slot的理解

• 参数的存放总是在局部变量数据的index0开始，到数组长度-1的索引结束
• 局部变量表，最基本的存储单位是Slot（变量槽）
• 局部变量里，32为以内的类型只占一个slot(包括返回值类型)，64位的类型(long和double)占用两个slot。   ① byte、short、char在存储前被转换为int，boolen也被转换为int，0表示false，1代表true   ② long和double则占用两个slot
• JVM会为局部变量表中每个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赋值到局部变量表中的第一个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，其余参数按照表顺序继续排列

代码示例

槽的重复利用

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

代码示例 b的作用域就在代码块中，出了后，此槽位就空出来，被c使用

4.1.3、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
• 类变量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。

4.1.4、补充

• 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调用时的参数传递
• 局部变量表中的变量也是重要的垃圾回收根节点，只有被局部变量表直接或间接引用的对象都不会被回收

4.2、操作数栈

4.2.1、操作数栈的特点

• 每一个独立的栈帧中除了包含局部变量表以外，还包含后进先出（Last-In-First-Out）的操作数栈，也可以称之为表达式栈
• 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）/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

4.2.2、操作数栈的作用

• 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着被创建出来，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。
• 栈中任何一个元素都是可以是任何的java数据类型。32bit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法进行数据访问的，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，这由编译器在编译器期间进行验证，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，我们说的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。

4.2.3、操作数栈的字节码指令执行分析

代码示例

第一步：pc寄存器执行指令地址为0，则执行入栈将byte转为int类型数字15，放入操作数栈的栈顶 第二步：pc寄存器执行指定地址为2（因为第一步包括操作指令入栈+操作数，所以占用两个地址），则执行出栈操作istore_1（放入局部变量表索引位置为1的地方，索引0位置放的是this）

第三步：pc寄存器执行指令地址为3，则执行入栈将int类型数字8放入操作数栈的栈顶 第四步：pc寄存器执行指定地址为5，则执行出栈操作istore_2（放入局部变量表索引位置为2的地方）

第五步：操作指令iload_1，将局部变量索引为1位置数据拿到操作数栈（等待运算） 第六步：操作指令iload_1，将局部变量索引为2位置数据拿到操作数栈，此时8在栈顶，15在下

在这里插入图片描述

第七步：操作数栈将8和15相加，结果23放入操作数栈，8和15出栈 第八步：istore_3：将运算结果23以int类型放入局部变量索引为3的位置，并且出栈

4.2.2、关于调用方法，返回值入操作数栈的说明

1. aload_0：加载this变量，装载入栈
2. invokevirtual：执行this变量的getSum方法
3. istore_1：将返回值结果存储到局部变量表1的位置
4. 10数字入栈
5. 出栈，将10存储到局部变量表2的位置
6. 返回

4.3、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然需要使用更多的入栈和出栈指令，这同时也就意味着将更多的指令分派次数和内存读写次数。   由于操作数是存在内存中的，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，以此降低对内存的读写速度，提升执行引擎的执行效率。

4.4、动态链接（或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为了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时，所有的变量和方法引用都作为符合引用保存在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之间引用。

代码示例 指向常量池的#7和#2

#7对应的就是常量池中的[07]，对应DynamicLinkingTest类的methodA方法，返回值为void

#2对应的就是常量池中的[02]，对应DynamicLinkingTest类的num成员变量，类型为int

为什么要用常量池呢？

1. 因为在不同的方法，都可能调用常量或者方法，所以只需要存储一份即可，然后记录其引用即可，节省了空间
2. 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

4.5、方法的调用

4.5.1、静态链接和动态链接

在JVM中，将符号引用转换为调用方法的之间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转载进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，由于这样引用转换过程具备动态性，因此也就称之为动态链接。

4.5.2、早期绑定和晚期绑定

静态链接和动态链接对应的方法的绑定机制为：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。

• 早期绑定：早期绑定就是指定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法将符号引用转换为直接引用。
• 晚期绑定：如果别调用的方法在编译期无法被确认下来，只能够在程序运行期根据实际的类型绑定相关的方法，这种绑定方法也就被称之为晚期绑定。

代码示例

/**
 * 说明早期绑定和晚期绑定的例子
 *
 */
class Animal {
    public void eat() {
        System.out.println("动物进食");
    }
}

interface Huntable {
    void hunt();
}

class Dog extends Animal implements Huntable {
    @Override
    public void eat() {
        System.out.println("狗吃骨头");
    }

    @Override
    public void hunt() {
        System.out.println("捕食耗子，多管闲事");
    }
}

class Cat extends Animal implements Huntable {
    public Cat() {
        super();//表现为：早期绑定
    }

    public Cat(String name) {
        this();//表现为：早期绑定
    }

    @Override
    public void eat() {
        super.eat();//表现为：早期绑定
        System.out.println("猫吃鱼");
    }

    @Override
    public void hunt() {
        System.out.println("捕食耗子，天经地义");
    }
}

public class AnimalTest {
    public void showAnimal(Animal animal) {
        animal.eat();//表现为：晚期绑定
    }

    public void showHunt(Huntable h) {
        h.hunt();//表现为：晚期绑定
    }
}

4.5.3、虚方法和非虚方法

• 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
• 虚方法和子类对象的多态对应，前提是1、类的继承关系 2、方法的重写

四条普通指令

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，解析阶段确定唯一方法版本
3. invokevirtual：调用所有虚方法
4. invokeinterface：调用接口方法

代码示例

/**
 * 解析调用中非虚方法、虚方法的测试
 * invokestatic指令和invokespecial指令调用的方法称为非虚方法
 */
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");
    }
}

public class Son extends Father {
    public Son() {
        //invokespecial
        super();
    }

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

    //不是重写的父类的静态方法，因为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("atguigu.com");

        //invokestatic
        super.showStatic("good!");

        //invokespecial
        showPrivate("hello!");

        //invokevirtual
        //虽然字节码指令中显示为invokevirtual，但因为此方法声明有final，不能被子类重写，所以也认为此方法是非虚方法。
        showFinal();

        //invokespecial
        super.showCommon();

        //invokevirtual
        //有可能子类会重写父类的showCommon()方法
        showCommon();
        info();

        MethodInterface in = null;
        //invokeinterface
        in.methodA();
    }

    public void info() {

    }

    public void display(Father f) {
        f.showCommon();
    }

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

interface MethodInterface {
    void methodA();
}

一条动态调用指令

invokedynamic：动态解析出需要调用的方法，然后执行

• 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。
• 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。
• Java7中增加的动态语言类型支持的本质是对Java虚拟机规范的修改，而不是对Java语言规则的修改，这一块相对来讲比较复杂，增加了虚拟机中的方法调用，最直接的受益者就是运行在Java平台的动态语言的编译器。

代码示例

@FunctionalInterface
interface Func {
    public boolean func(String str);
}

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

    public static void main(String[] args) {
        Lambda lambda = new Lambda();

        Func func = s -> {       //invokedynamic
            return true;
        };

        lambda.lambda(func);

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

指令特点

1. 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
2. invokedynamic指令则支持由用户确定方法版本
3. invokestatic指令和invokespecial指令调用的方法称为非虚方法，其余的（final修饰的除外）称为虚方法。

4.5.4、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，反之是动态类型语言。
• 说的再直白一点就是，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，变量值才有类型信息，这是动态语言的一个重要特征。

Java：String info = "mogu blog";     		(Java是静态类型语言的，会先编译就进行类型检查)
JS：var name = "shkstart";    var name = 10;	（运行时才进行检查）

4.6、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.1ang.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。

4.7、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）来实现，非虚方法不会出现在表中。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。
• 虚方法表是什么时候被创建的呢？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会把该类的虚方法表也初始化完毕。

示例：如果类中重写了方法，那么调用的时候，就会直接在该类的虚方法表中查找

已将属于自己的虚方法放入虚方法表，不用一层一层向上找，直接从表里拿

4.8、方法返回地址（return address）

• 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。

4.8.1、方法退出的两种方式

正常退出：

1. 执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令（return），会有返回值传递给上层的方法调用者，简称正常完成出口；
2. 一个方法在正常调用完成之后，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。
3. 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：Long类型 freturn：Float类型 dreturn：Double类型 areturn：引用类型 return：返回值类型为void的方法、实例初始化方法、类和接口的初始化方法

异常退出：

1. 在方法执行过程中遇到异常（Exception），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。
2. 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

异常处理表：

反编译字节码文件，可得到 Exception table

• from ：字节码指令起始地址
• to ：字节码指令结束地址
• target ：出现异常跳转至地址为 11 的指令执行（catch–获取异常类型是否匹配）
• type ：捕获异常的类型

4.9、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。

5、运行时数据区，哪些部分存在Error和GC？