虚拟机栈

前言

与程序计数器一样，虚拟机栈(Java Virtual Machine Stack)也是线程私有的，生命周期和线程一致。 虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型: 每个方法被执行的时候，Java虚拟机都会同步创建一个栈帧(Stack Frame)。用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。本篇文章讲述虚拟机栈的一些相关知识点！

一. 具体概述

概述

Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stack)，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，其内存保存一个个栈帧(Stack Frame)，对应着一次次的Java方法调用。即生命周期与线程保持一致

1.1 作用

栈是运行时单位，主要解决Java程序运行时的问题，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。
局部变量包括基本数据类型(byte、short、int、long、double、flot、char)和引用类型(数组、类、接口)而引用类型在栈中是对象的引用地址，而存储对象本身是存储在堆中。

1.3 特点

• 栈是一种快速有效的分配存储的方式，访问速度仅限于程序计数器。
• 对于栈来说不存在垃圾回收问题。
• 线程私有

1.4 栈中出现的异常

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。

栈的大小 通过参数 -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。

二. 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。

三. 栈的运行原理

• Java直接对Java栈(虚拟机栈)的操作只有两个，对栈帧的出栈和压栈。遵循 先进后出/后出先进的原则。

• 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，另一种是抛出异常，不管用哪种方式，都会导致栈帧被弹出

IdeaIDEA 中debug时，左下角可以看到Frames中各种方法的压栈出栈情况

四. 栈帧内部结构

每个栈帧包含五个部分:

• 局部变量表(Local Variables)
• 操作数栈(Operand Stack)
• 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)
• 附加信息

4.1 局部变量表(Local Variables)

• 局部变量表（Local Variables）是一组变量值的存储空间，用于存放方法参数和方法内部定义 的局部变量。

• 在Java程序被编译为Class文件时，就在方法的Code属性的max_locals数据项中确定了该方 法所需分配的局部变量表的最大容量。也就是说局部变量表所需的容量是在编译期确定下来的。 运行时不会改变其大小

• 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。

• 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。

4.1.1 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)，引用数据类型(reference)，returnAddress类型的变量。
• 在局部变量表中，32位以内的类型只占一个Slot(包括returnAddress类型)，64位的类型(long 和double )占两个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。
• 如果当前帧是由构造方法或实例方法创建的，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（这里就引出一个问题：静态方法中为什么不可以引用 this，就是因为this 变量不存在于当前方法的局部变量表中）。
• 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和double类型变量)。
• 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。
• 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。

4.2 操作数栈(Operand Stack)

• 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。

4.2.1 概述

• 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。
• 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。

4.3 动态连接

• 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)。
• 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 文件的常量池中。 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

4.3.1 方法的调用

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。

4.3.2 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

4.4 方法返回地址

存放调用该方法的PC寄存器的值。(交给执行引擎去执行)

  // 在a方法中调用b方法，当b方法正常结束退出。就会把PC寄存器下一条执行的字节指令返回由执行引擎执行。
  // 也就是说 b()方法执行完后 a方法往下执行。
  public void a(){
    b();
    System.out.println("测试");
  }
  public void b(){
    int a=10
  }

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的，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

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。

4.5 附加信息

《Java虚拟机规范》允许虚拟机实现增加一些规范里没有描述的信息到栈帧之中，例如与调试、 性能收集相关的信息，这部分信息完全取决于具体的虚拟机实现，这里不再详述。在讨论概念时，一 般会把动态连接、方法返回地址与其他附加信息全部归为一类，称为栈帧信息。