JVM全面分析之虚拟机栈
本文结构
虚拟机栈概述
虚拟机出现的背景
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。
栈的存储单位
* 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。
栈可能出现的异常
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。
设置虚拟机栈内存大小
我们可以使用 -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
栈运行原理
- JVM 直接对Java栈的操作只有两个：入栈 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 ，与当前栈帧相对应的方法当前方法。定义这个方法的类就是当前类。
- 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。
- 不同线程中所包含的栈帧是不允许存在互相引用的，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当前一个栈帧，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。不管使用哪种方式，都会导致栈帧被弹出。
栈帧的内部结构
每个栈帧中存储着：
- 局部变量表（Local Variables)
- 操作数栈（Operand Stack）（或表达式栈）
- 动态链接（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。
关于Slot的理解
- 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。
- 局部变量表最基本的存储单元是Slot（变量槽）
- 局部变量表中存放编译期间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位类型（long和double）占用两个slot
* byte、shot、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则占用两个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，他的方法参数和方法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）
- 如果当前帧室友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排列。
局部变量的复用
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于，那么在其作用域之后申明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。
变量的分类
- 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: 在使用钱，都经历过初始化赋值。
类变量：linking的prepare阶段，给类变量赋默认值 --> initial阶段，给类变量显示赋值即静态代码块赋值。
实例变量：随着对象的创建，会在对空间中分配实例变量空间，并进行默认赋值
局部变量：在使用前必须要进行显示赋值，否则，编译不通过。因为和变量初始化不同的是：局部变量不存在系统初始化的过程。
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提到的局部变量表，在方法执行时，虚拟机使用局部变量表完成方法的传递。
怎么理解呢：当方法中new一个对象时，对象本身是在堆中放着，而其引用则放在方法的局部变量表中。有引用指向某个变量，则其不能被回收。如果局部变量表过大，也会占用很大空间。 - 局部变量表中的变量也是重要的垃圾回收根节点，只要被局部变量中直接或间接引用的对象都不会被回收。
操作数栈
栈可以使用数组或链表来实现，此处的操作数栈使用的是数组。
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）
- 执行引擎从操作数栈中去、存指令，并将其翻译成机器码指令，供计算机计算。
- 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，其所需的最大深度在编译器就定义好，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。
* 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进行数据访问的，而是只能通过标准的入栈（push）和出栈（pop）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与字节码指令的的序列严格匹配，这由编译器字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，其中栈指的就是操作数栈
代码追踪
栈顶缓存技术
前面提过，基于栈式架构的虚拟机所使用的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需要更多的指令分派（instruction dispatch）次数和内训读、写次数
由于操作数是存储在内存中的，因此频繁地执行内训读/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屋里CPU的寄存器中，以此降低对内训的读写次数，提升执行引擎的执行效率。
动态链接 又叫指向运行时常量池的方法引用
动态链接、方法返回地址、一些附加信息在某些地方被称为帧数据区
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
方法的调用：解析与分派
对应的方法绑定机制为：早起绑定（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
-
早起绑定
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酒精是哪一个，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，这种绑定方式也就被称之为晚期绑定。
随着高级语言的横空出世，类似于Java一样的基于面向对象的编程语言越来越多，尽管这类变成语言在语法风格上存在着一定的差距，但是他们彼此之间始终保持着一个共性，那就是都支持封装、继承、多态等面向对象特性。既然这一类的变成语言具备多态特性，那么自然也就具备早起绑定和晚期绑定这两种绑定方式。
Java中任何一个普通的方法其实都具备虚函数的特征，他们相当于C++语法中的虚函数（C++中则需要使用关键字virtual来显示定义）。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来修饰这个方法。
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。
- 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。（前三种都不可被重写）
- 其他方法称为虚方法
调用指令
- 普通调用指令：
1. invikestatic: 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 - 动态调用指令：
5. invokedynamic：动态解析出需要调用的方法，然后执行
前四条指固化在虚拟机内部，方法的调用执行不可认为干预，而invikedynamic指令则支持由用户确定方法版本，其中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
动态语言、静态语言
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。
说的直白一点，静态类型语言是判断变量自身的类型信息；动态类型语言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性。
方法的调用：方法重写的本质
Java语言中方法重写的本质：
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，记做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.langIllegalAccessError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。
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可能会影响到执行效率。因此，为了提高性能，JVM采用在类的方法区建立一个需方法表（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
每个类都有一个需方发表，表中存放着各个方法的实际入口。
那么虚方法表什么时候被创建？
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会把该类的方发表也初始化完毕。
方法返回地址
存放调用该方法的pc寄存器的值；pc寄存器存放该方法要执行的下一条指令的值。则方法返回地址存放的是该方法下一条指令的值。
一个方法的结束，有两种方式：正常执行完成、出现异常。无论哪种方式退出，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寄存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。此时需要回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。
