JVM---运行时数据区-Java虚拟机栈
Java虚拟机栈
/**
* 【运行时数据区-Java虚拟机栈】
*
* JVM指令是 基于栈的指令架构，基于寄存器的指令架构依赖具体的平台，所以基于栈的指令架构可以跨平台；
* 栈是运行时的单位，堆是存储的单位；
*
* Java虚拟机栈Java Virtual Machine Stack：
*
* what？
* 每个 线程 在创建时 都会创建一个 Java虚拟机栈， Java虚拟机栈 内 保存 一个个的栈桢（对应着 一次次的方法调用）；
* 线程私有；
* 声明周期同当前线程；
*
* 作用：
* 主管Java程序的运行；
* 保存 方法的 局部变量、临时计算结果，并 参与 方法的调用 和 返回；
*
* 栈的特点：
* 快速有效的分配存储方式，访问速度仅次于PC寄存器；
* JVM对 Java虚拟机栈的操作：入栈、出栈；
* Java虚拟机栈 不存在 GC问题；
*
* Java虚拟机栈可能存在的异常：
* ***Java虚拟机 允许 Java虚拟机栈 的大小 是 动态的 或者 是 固定的；
*
* a,如果采用 固定大小， 每个线程的 Java虚拟机栈 容量 在创建的时候选定；
* 如果 线程 请求的栈容量 超过 Java虚拟机栈 允许的最大容量，JVM 将抛出 StackOverflowError；
* b,如果采用 动态扩展，
* Java虚拟机栈 在尝试扩展时 无法 申请到 足够的内存 （或者 线程 创建 没有足够内存 去创建 Java虚拟机栈时）时，JVM将会 抛出 OutofMemoryError；
*
* Java虚拟机栈大小设置：
* -Xss
* 默认以byte为单位，后面加单位进行单位变更；
* eg: 1KB, 1MB, 1GB...
*
* Java虚拟机栈的存储结构：
* 栈中 的 数据 以 栈桢Stack Frame 的格式存在；
* 每个方法 对应 一个 栈桢；
* JVM对Java虚拟机栈的操作只有2个，就是对栈桢的 压栈push、出栈pop，遵循 先进后出的 原则；
* 在一条活动线程中，一个时间点上，只有一个活动的栈桢，即只有当前正在执行的方法的栈桢是有效的，被称为 当前栈桢；
* 执行引擎运行的所有字节码指令 只对 当前栈桢进行操作；
* 如果该方法调用了其他方法，其他方法的新栈桢会被创建出来，放在栈的顶端，称为新的当前栈桢；
*
* ****不同线程中的栈桢 是 不允许 存在相互引用的，不可能在一个栈桢中引用另外一个线程的栈桢；
*
* Java方法的2种返回方式（2种方式 都会将 当前栈桢 弹出）：
* a,return指令
* b,抛出异常
*
*/
栈桢-局部变量表
/**
* 【Java虚拟机栈-栈桢-局部变量表】
* 1、局部变量表local variables
* 局部变量表 本质是一个 一维数字数组；
*
* 作用：
* 存储 方法参数、定义在方法内的局部变量（包括 基本数据类型、引用数据类型、returnAddress类型）的值；
*
* 内存大小：
* 局部变量表所需内存大小 在 编译期 就确定，并 保存在 方法的Code属性的 maximum local variables数据项中（运行期 不会 改变）；
*
* eg :
*
* 12 public void test(int a){
* 13 Date date = null;
* 14 String s = null;
* 15 int aa = 0;
* 16 }
*
* bytecode:
* 0 aconst_null
* 1 astore_2
* 2 aconst_null
* 3 astore_3
* 4 iconst_0
* 5 istore 4
* 7 return
*
* LineNumberTable:
* 字节码指令 与 Java源代码 的映射关系；
*
* Nr 起始PC 行号
* 0 0 13
* 1 2 14
* 2 4 15
* 3 7 16
*
* LocalVariablesTable：
* 方法内的局部变量的描述；
*
* Nr 起始PC 长度 序号 名字 描述符
* 0 0 8 0 cp_info #9 cp_info #10
* this
* 1 0 8 1 cp_info #13 cp_info #14
* a
* 2 2 6 2 cp_info #15 cp_info #16
* date
* 3 4 4 3 cp_info #17 cp_info #18
* s
* 4 7 1 4 cp_info #19 cp_info #14
* aa
*
*
* Slot（槽）：
* 局部变量表，最基本的存储单元是 Slot；
*
* 局部变量表中，32位以内的类型 只占 一个Slot，64位的类型 占2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，1 表示 true；
*
* ***long、double 占 2个Slot，引用类型、byte、short、int、char、boolean占 1个slot；
*
* JVM 为 局部变量表的每个Slot 分配一个访问索引，通过这个索引 可以访问 局部变量表指定的 局部变量值；
* 如果需要访问 局部变量表的64bit的局部变量值时，只需要前一个索引即可；
*
* 当一个方法 被调用时，它的 方法参数、局部变量 被 按照声明顺序 复制到 局部变量表的每个Slot中；
*
* 如果当前栈桢 由 构造方法（或 非static方法）创建，该对象引用的this将会 放在 index为0的Slot处，其余 按声明顺序排列；
* ***为什么static方法中不能使用非static？
* static方法中的局部变量表中没有this；
*
* 局部变量表的Slot 是可以重复利用的；
*
* 局部变量表的 变量 也是 GC的 根节点；
* 只要被 局部变量 直接（或 间接）引用的 对象 不会被回收；
*/
栈桢-操作数栈
用途
用于方法的字节码指令执行时 存放操作数和临时结果；
/**
* 【Java虚拟机栈-栈桢-操作数栈】
* 2、操作数栈operand stack
*
* 本质是一个 一维数字数组；
*
* eg :
* public void test(int a){
*
* byte b = 15;
* int c = 8;
*
* int d = b + c;
* }
*
*
* PC寄存器：
* 0-2-3-5-6-7-8-9-11
*
* 0 bipush 15 将 15 push到 操作数栈
* 2 istore_2 将 操作数栈 的15 pop，存储到 局部变量表的 2序号slot
* 3 bipush 8 将 8 push到 操作数栈
* 5 istore_3 将 操作数栈 的8 pop，存储到 局部变量表的 3序号slot
* 6 iload_2 从 局部变量表的2序号slot 取出值15，push到 操作数栈
* 7 iload_3 从 局部变量表的3序号slot 取出值8，push到 操作数栈
* 8 iadd 将 操作数栈的8pop，将 操作数栈的15pop，然后 由执行引擎 将字节码指令翻译为本地机器指令， 然后 由CPU 进行相加运算得结果23，将23push到操作数栈；
* 9 istore 4 将 操作数栈中的23pop，将23 存储到 局部变量表的4序号slot
* 11 return
*
* LocalVariableTable
* 序号
* 0 0 12 0 cp_info #9 cp_info #10
* this
* 1 0 12 1 cp_info #13 cp_info #14
* a
* 2 3 9 2 cp_info #15 cp_info #16
* b
* 3 6 6 3 cp_info #17 cp_info #14
* c
* 4 11 1 4 cp_info #18 cp_info #14
* d
*
* 作用：
* 在 方法执行过程中，根据字节码指令，往 操作数栈 中 写入push （提取pop） 数据；
*
* 内存大小：
* 在 编译期 确定，保存在 方法的Code属性的 max_stack ;
*
* 根据 字节码指令 将 操作数 写入 操作数栈 （或 将 操作数 从 操作数栈 取出），CPU计算完成后，将 结果 再写入 操作数栈；
* 如果 方法有返回值，其返回值 将被 写入 当前栈桢 的 操作数栈中，并 更新 PC寄存器中 下一条要执行的字节码指令；
* JVM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；
*
* ***byte, short, char, boolean 在 进行 运算时 ，都会转化为 int 类型 进行计算；
*
* 栈顶缓存技术：
* HotSpot JVM设计者，为了 解决 频繁 执行 内存 读/写，将 栈顶元素 全部 缓存 在物理CPU的寄存器中；
*/
栈桢-动态链接
what
程序执行过程中, 将 方法调用的符号引用 转换为 直接引用的过程；
通过 方法区运行时常量池 来实现；
符号引用&直接引用
符号引用：
是在编译时生成的类文件中的信息，它包含了方法和字段的名字、描述符以及它们所在的类或接口的全限定名。
这些信息被存储在类文件的常量池中。
直接引用：
是程序运行期间可以直接定位到目标方法或字段的具体地址。
这个地址可能是一个指针、一个偏移量或者是一个句柄等具体的数据结构。
方法调用过程
当一个方法被调用时，JVM会首先查找该方法的符号引用，并将其转化为直接引用。这个过程通常涉及到以下步骤：
-
解析：JVM检查当前栈帧中的方法引用是否已经被解析过。如果没有，JVM则会开始解析过程。
-
绑定：解析过程实际上就是进行绑定，即将符号引用与具体的内存地址关联起来。这一步骤可以在类加载时完成（静态绑定），也可以在运行时完成（动态绑定）。对于虚方法（非
final和非private的方法），动态绑定会在每次方法调用时进行。 -
访问权限检查：在将符号引用转化为直接引用的过程中，JVM还会进行访问权限检查，确保当前线程具有调用该方法的权限。
-
方法调用：一旦方法的直接引用确定，JVM就可以通过这个引用来调用方法了；
/**
* 【Java虚拟机栈-栈桢-动态链接】
* 动态链接dynamic linking
* what？
* 当前Class 常量池 在 方法区常量池 的引用；
* 作用：
* 将 运行时常量池 的符号引用 转换为 直接引用；
*
* Java源代码 经过 编译到 字节码文件中时，所有的变量、方法引用 都作为 符号引用 保存在 class文件的常量池中；
*
* 每个 栈桢 内部 都包含 一个 指向 运行时常量池 该栈桢所属方法 的引用；
* 引用 的目的：
* 支持当前方法的代码 能够 实现 动态链接，比如 invokedynamic指令；
*
* ***方法调用***
* 在 JVM中，将 符号引用 转化为 直接引用 与 方法的绑定机制 相关；
*
* 绑定：
* 一个字段（或 方法， 或 类）在 符号引用 被 转化为 直接引用 的过程，仅发生一次；
*
* 方法的绑定机制：
* 静态链接（早期绑定）：
* 当一个 Class文件 被 加载到 JVM内存时，如果 被调用的 目标方法 编译期 可知 ， 且 运行期 不变；
* 这种 情况下 将 调用方法的 符号引用 转化为 直接引用 的过程 称为 静态链接；
* eg: 非虚方法
*
* 动态链接（晚期绑定）：
* 当一个 Class文件 被 加载到 JVM内存时，如果 被调用的 目标方法 编译期 无法确定，只能在程序 运行期 将 符号引用 转化为 直接引用；
* 这种 引用 转化过程 具备 动态性，称为 动态链接；
* eg:虚方法
*
* ***多态的实现***
* 多态的使用前提：
* 1、继承关系 2、方法重写
*
*
* ***虚方法与非虚方法***
* Java中的任何一个 普通方法 都具备虚方法的特征，如果不希望某个方法拥有虚方法的特征时，可以使用final修饰；
*
* 非虚方法：
* 如果 方法 在编译期 就确定了 具体的版本 ， 且 运行期 不可变，这样的方法就是 非虚方法；
* eg：static方法、private方法、final方法、构造器、子类调用指定的父类方法；
*
* invokestatic：调用 static方法；
* invokespecial：调用 构造器、private方法、父类方法；
* invokevirtual：调用 final方法；
*
* 虚方法：
* 方法 在编译期 无法确定 具体的版本；
*
* invokevirtual：调用 虚方法；
* invokeinterface：调用 接口方法；
*
* 动态调用指令：
* invokedynamic
* Java7 增加了一个 invokedynamic指令，使得Java增加了动态语言类型支持；
*
* 动态解析出需要调用的方法，然后执行；
* invokestatic、invokespecial、invokevirtual、invokeinterface 方法的调用执行不可人为干预，而invokedynamic则支持用户确定方法版本；
*
* ***动态类型语言与静态类型语言***
* 对类型的检查 在编译期，就是静态类型语言；
* 判断变量自身的类型信息；
*
* 对类型的检查 在运行期，就是动态类型语言；
* 判断变量值的类型信息；
*
* 区别：
* 对 类型的检查 是在 编译期 还是 运行期；
*
* eg:
* interface Fun{
* boolean exec(String s);
* }
*
* public class DLTest {
*
* public void exec(Fun fun){}
*
* public static void main(String[] args) {
*
* DLTest dlTest = new DLTest();
*
* dlTest.exec(s -> false);
*
* }
*
* 0 new #2 <com/an/stack/dynamiclinking/DLTest>
* 3 dup
* 4 invokespecial #3 <com/an/stack/dynamiclinking/DLTest.<init>>
* 7 astore_1
* 8 aload_1
* 9 invokedynamic #4 <exec, BootstrapMethods #0>
* 14 invokevirtual #5 <com/an/stack/dynamiclinking/DLTest.exec>
* 17 return
*
* }
*
*
* ***方法重写***
* 方法重写的本质：
* 1、找到 操作数栈 的元素的对象的实际类型C；
* 2、如果 在类型C中找到与常量池中描述符相符的方法，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；
*
* 如果 在类型C中找不到，则根据继承关系，依次对C的各个父类进行搜索，如果父类中找不到，抛出java.lang.AbstractMethodError；
*
* ***虚方法表***
* 在面向对象编程中，很频繁使用 动态链接，如果每次动态链接都要重新查找，严重影响效率；
* 因此，为了提升性能，JVM在类的方法区建立一个虚方法表virtual method table（非虚方法不出现在表中）来实现；
*
* 每个类都有一个虚方法表，表中放着各个虚方法的实际入口；
*
*
*
*/
栈桢-方法返回地址
/**
* 【Java虚拟机栈-栈桢-方法返回地址】
* 方法返回地址return address
* 作用：
* 存放 调用当前方法 PC寄存器的值；
*
* eg：
* 方法A 调用 方法B
* 当前栈桢B 正常执行完成后，将 方法A调用方法B的指令地址 交由 执行引擎；
*
* 方法的结束：
* a,正常执行完成
* b,出现未处理异常，非正常退出
*
* 无论 方法通过 哪种方式退出， 在方法退出后 都返回 该方法被调用的位置；
* a,正常退出时，调用当前方法的 PC寄存器的值 作为返回地址；
* b,异常退出时，返回地址 通过 异常表 来确定，栈桢不会保存 这部分信息；
*
* ***正常退出 与 异常退出 的区别***
* 通过 异常退出的方法 不会 给 调用者 返回任何值；
*
*
* 正常退出：
* 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方法调用者，称为 正常完成出口；
*
* 一个方法 在 正常调用完成后 需要使用哪个返回指令 需要根据 方法返回值 的实际数据类型 确定；
* ireturn:
* 返回值类型是 byte, short, int, char, boolean
* lreturn:
* 返回值类型是 long
* freturn:
* 返回值类型是 float
* dreturn:
* 返回值类型是 double
* areturn:
* 返回值类型是 引用类型
* return:
* void方法、构造器
*
* 异常退出：
* 在方法执行的过程中遇到了一次，且这个异常没有在方法内处理（在本方法的异常表中没有找到匹配的异常处理器），就会导致方法退出，称为 异常完成出口；
*
* 方法执行过程中抛出异常时的异常处理，存储在一个异常表；
*
* eg:
* public void test1() {
* try {
* test2();
* } catch (ClassNotFoundException e) {
* e.printStackTrace();
* }
* }
*
* 0: aload_0
* 1: invokevirtual #2 // Method test2:()Ljava/lang/String;
* 4: pop
* 5: goto 13
* 8: astore_1
* 9: aload_1
* 10: invokevirtual #4 // Method java/lang/ClassNotFoundException.printStackTrace:()V
* 13: return
*
* Exception table:
* from to target type
* 0 4 7 Class java/lang/ClassNotFoundException
*
*
*
*/
