虚拟机栈
内存中的栈与堆
1、栈
(1)是运行时的单位
(2)解决程序的运行问题,即程序如何执行,即如何处理数据
2、堆
(1)是存储的单位
(2)解决数据存储的问题,即数据存放方式,存放位置
Java 虚拟机栈
1、Java Virtual Machine Stack
2、每个线程在创建时,都会创建一个虚拟机栈,其内部保存多个栈帧(Stack Frame),对应着一次次的 Java 方法调用,是线程私有的
3、生命周期和线程一致
4、作用
(1)主管 Java 程序的运行
(2)保存方法的局部变量、部分结果,并参与方法的调用和返回
5、特点
(1)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寄存器
(2)JVM 直接对 Java 栈的操作只有两个:每个方法执行都伴随着进栈(入栈、压栈)、执行结束后的出栈工作
(3)对于栈来说不存在垃圾回收问题,但栈存在溢出的情况
栈中可能出现的异常
1、JVM 规范允许 Java 栈的大小是动态 / 固定不变
(1)如果采用固定大小的 JVM 栈,则每一个线程的 JVM 栈容量可以在线程创建时独立选定,如果线程请求分配的栈容量,超过 JVM 栈允许的最大容量,JVM 将会抛出一个 StackOverflowError 异常
(2)如果 JVM 栈可以动态扩展,并且在尝试扩展时,无法申请到足够的内存,或在创建新的线程时,没有足够的内存创建对应的虚拟机栈,则 JVM 将会抛出一个 OutOfMemoryError 异常
2、设置栈内存大小
(1)可以使用参数 -Xss 选项来设置线程的最大栈空间
(2)栈的大小直接决定函数调用的最大可达深度
栈运行原理
1、JVM 直接对 Java 栈的操作只有两个
(1)即对栈帧的压栈和出栈
(2)遵循先进后出原则
2、当前栈帧(Current Frame):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
(1)当前方法(Current Method):与当前栈帧相对应的方法
(2)当前类(Current Class):定义当前方法的类
3、运行规则
(1)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
(2)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
(3)不同线程中所包含的栈帧,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
(4)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
(5)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
栈帧的内部结构
1、每个栈帧存储
(1)局部变量表(Local Variables)
(2)操作数栈(Operand Stack) / 表达式栈
(3)动态链接(Dynamic Linking)/ 指向运行时常量池的方法引用
(4)方法返回地址(Return Address)/ 方法正常退出 / 异常退出的定义
(5)附加信息
2、栈帧的大小主要由局部变量表、操作数栈决定
3、帧数据区:动态链接、方法返回地址、附加信息
局部变量表
1、Local Variables / 局部变量数组 / 本地变量表
2、定义为一个数字数组
(1)主要用于存储方法参数、定义在方法体内的局部变量
(2)数据类型包括:各类基本数据类型、对象引用(reference)、returnAddress 类型
3、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
4、局部变量表所需的容量大小是在编译期确定下来的
(1)保存在方法的 Code 属性的 maximum local variables 数据项中
(2)在方法运行期间不会改变局部变量表的大小
5、方法嵌套调用的次数由栈的大小决定
(1)一般情况下,栈越大,方法嵌套调用次数越多
(2)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
6、局部变量表中的变量只在当前方法调用中有效
(1)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
(2)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
7、性能调优
(1)最重要部分是局部变量表
(2)在方法执行时,虚拟机使用局部变量表完成方法的传递
(3)局部变量表中的变量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
Slot
1、变量槽
2、为局部变量表最基本的存储单元
3、参数值的存放在局部变量数组,开始位置:索引 = 0,结束位置:索引 = 数组长度 - 1
4、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
5、在局部变量表中,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
(1)byte、short、char 在存储前被转换为 int
(2)boolean 在存储前被转换为 int,0 表示 false,非 0 表示 true
6、JVM 为局部变量表中的每一个 Slot 都分配一个访问索引
(1)通过访问索引,可访问局部变量表中指定的局部变量值
(2)当一个实例方法被调用时,它的方法参数、方法体内部定义的局部变量,将会按照声明顺序,被复制到局部变量表中的每一个 Slot 上
(3)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
(4)如果当前帧是由构造方法或实例方法创建,则该对象引用 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
(1)如果一个局部变量过了其作用域,则在其作用域之后申明的新的局部变量,可能会复用过期局部变量的槽位
(2)目的:节省资源
静态变量与局部变量的对比
1、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
2、类变量表有两次初始化
(1)第一次:准备阶段,执行系统初始化,对类变量设置零值
(2)第二次:初始化阶段,赋予在代码中定义的初始值
3、局部变量表和类变量初始化不同,不存在系统初始化的过程,即定义了局部变量则必须人为的初始化,否则无法使用
操作数栈(Operand Stack)/ 表达式栈(Expression Stack)
1、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)
(1)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
(2)比如:执行复制、交换、求和等操作
2、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
3、JVM 执行引擎的一个工作区,当一个方法刚开始执行时,同时创建一个新的栈帧,这个方法的操作数栈为空
4、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,在编译期就定义所需的最大深度,保存在方法的 Code 属性中,为 max_stack 的值
5、栈中的任何一个元素都是可以任意的 Java 数据类型
(1)32 bit 数据类型占用一个栈单位深度
(2)64 bit 数据类型占用两个栈单位深度
6、操作数栈并非采用访问索引的方式来进行数据访问,而只能通过标准的入栈和出栈操作来完成一次数据访问
7、如果被调用的方法带有返回值,其返回值将会被压入当前栈帧的操作数栈中,并更新程序计数寄存器中下一条需要执行的字节码指令
8、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,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
9、JVM 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
栈顶缓存技术(Top Of Stack Cashing)
1、基于栈式架构的虚拟机,所使用的零地址指令更加紧凑
(1)但完成一项操作时,必然需要使用更多的入栈和出栈指令
(2)同时需要更多的指令分派(instruction dispatch)次数和内存读 / 写次数
(3)由于操作数是存储在内存中的,因此频繁地执行内存读 / 写操作必然会影响执行速度
2、解决: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 / 写次数,提升执行引擎的执行效率
动态链接(Dynamic Linking)
1、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
(1)目的:支持当前方法的代码能够实现动态链接(Dynamic Linking)
(2)比如:invokedynamic 指令
2、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
(1)描述一个方法调用另外的其他方法时,通过常量池中指向方法的符号引用来表示
(2)动态链接的作用:将以上符号引用转换为调用方法的直接引用
(3)常量池的作用:提供一些符号和常量,便于指令的识别
方法的调用:解析与分派
1、在 JVM 中,将符号引用转换为调用方法的直接引用,与方法的绑定机制相关
2、静态链接、动态链接不是名词,而是动词
(1)静态链接:当一个字节码文件被装载进 JVM 内部时,被调用的目标方法在编译期可知,且运行期保持不变时,这种情况下调用方法的符号引用转换为直接引用的过程
(2)动态链接:如果被调用的方法在编译期无法被确定下来,只能够在程序运行期,将调用的方法的符号转换为直接引用,由于这种引用转换过程具备动态性,因此被称之为动态链接
3、绑定是一个字段、方法、类在符号引用被替换为直接引用的过程,这只发生一次
4、对应的方法的绑定机制为:早期绑定(Early Binding)、晚期绑定(Late Binding)
(1)早期绑定: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,因为确定被调用的目标方法,所以可以使用静态链接的方式将符号引用转换为直接引用
(2)晚期绑定:被调用的方法在编译期,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
解析(Resolution)
1、调用目标在程序代码写好、编译器进行编译那一刻就已经确定下来的这类方法
2、所有方法调用的目标方法在 Class 文件里面都是一个常量池中的符号引用,在类加载的解析阶段,会将其中的一部分符号引用转化为直接引用,这种解析能够成立的前提是:方法在程序真正运行之前就有一个可确定的调用版本,并且这个方法的调用版本在运行期是不可改变的
3、解析调用一定是个静态的过程,在编译期间就完全确定,在类加载的解析阶段就会把涉及的符号引用全部转变为明确的直接引用,不必延迟到运行期再去完成
虚方法、非虚方法
1、非虚方法:在类加载的时候就可以把符号引用解析为该方法的直接引用,方法在编译期就确定具体的调用版本,这个版本在运行时是不可变的
(1)在类加载的解析阶段就可以进行解析
(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
2、虚方法:其余为虚方法
虚拟机中提供以下几条方法调用指令
1、普通调用指令
(1)invokestatic:调用静态方法,解析阶段确定唯一方法版本
(2)invokespecial:调用 <init> 方法、私有方法、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
(5)以上四条指令固化在虚拟机内部,不可人为干预方法的调用执行
(6)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
(7)fianl 方法、private 方法,构造方法都是由 invokespecial 指令来调用,属于静态绑定
(8)普通成员方法是由 invokevirtual 调用,属于动态绑定,即支持多态
(9)成员方法与静态方法调用的另一个区别是,执行方法前是否需要“对象引用”
2、动态调用指令
(1)invokedynamic:动态解析出需要调用的方法,然后执行
(2)invokedynamic 指令支持由用户确定方法版本
(3)JVM 字节码指令集一直比较稳定,直到 Java 7 中,才增加一个 invokedynamic 指令,因为 Java 为了实现动态类型语言支持而做的一种改进
(4)但在 Java 7 中并没有提供直接生成 invokedynamic 指令的方法,需要借助 ASM 底层字节码工具,来产生 invokedynamic 指令
(5)直到 Java 8 的 Lambda 表达式的出现,invokedynamic 指令在 Java 中才有直接的生成方式
(6)Java 7 中增加动态语言类型支持的本质,是对 JVM 规范的修改,而不是对 Java 语言规则的修改,增加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
3、new:创建对象,给对象分配堆内存,执行成功会将对象引用,压入操作数栈
4、dup:赋值操作数栈栈顶,需要两份引用的原因:配合 invokespecial 调用该对象的构造方法 <init>:()V(消耗掉栈顶一个引用),且配合局部变量压栈指令,赋值给局部变量
分派(Dispatch)
1、它可能是静态的也可能是动态的,按照分派依据的宗量数可分为单分派和多分派
2、两类分派方式两两组合就构成:静态单分派、静态多分派、动态单分派、动态多分派 4 种分派组合情况
静态分派
1、分派(Dispatch)这个词本身就具有动态性,一般不应用在静态语境之中,这部分原本在英文原版的《Java虚拟机规范》和《Java语言规范》里的说法都是“Method Overload Resolution”
2、编译器在重载时是通过参数的静态类型而不是实际类型作为判定依据的,由于静态类型在编译期可知,所以在编译阶段,Javac编译器就根据参数的静态类型决定了会使用哪个重载版本
3、所有依赖静态类型来决定方法执行版本的分派动作,都称为静态分派
(1)静态分派的最典型应用表现就是方法重载
(2)静态分派发生在编译阶段,因此确定静态分派的动作实际上不是由虚拟机来执行的,这点也是为何一些资料选择把它归入“解析”而不是“分派”的原因
3、Javac 编译器虽然能确定出方法的重载版本,但在很多情况下这个重载版本并不是“唯一”的,往往只能确定一个“相对更合适的”版本
4、解析与分派这两者之间的关系并不是二选一的排他关系,它们是在不同层次上去筛选、确定目标方法的过程
(1)例如:静态方法会在编译期确定、在类加载期就进行解析
(2)而静态方法显然也是可以拥有重载版本的,选择重载版本的过程也是通过静态分派完成的
动态分派
1、在运行期根据实际类型确定方法执行版本的分派过程
2、invokevirtual 指令的运行时解析过程
(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,找到符合常量中描述的简单名称的方法,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 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(2)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.AbstractMethodsrror 异常
3、IllegalAccessError
(1)程序试图访问或修改一个属性,或调用一个方法,却没有权限访问属性或方法,引起编译器异常
(2)这个错误如果发生在运行时,则说明一个类发生了不兼容的改变
4、Java 语言中方法重写的本质:正是因为 invokevirtual 指令执行的第一步就是在运行期确定接收者的实际类型,所以两次调用中的 invokevirtual 指令并不是把常量池中方法的符号引用解析到直接引用上就结束了,还会根据方法接收者的实际类型来选择方法版本
5、字段没有多态性
(1)多态性的根源在于虚方法调用指令 invokevirtual 的执行逻辑,只会对方法有效,对字段是无效的,因为字段不使用这条指令
(2)在 Java 里面只有虚方法存在,字段永远不可能是虚的,换句话说,字段永远不参与多态,哪个类的方法访问某个名字的字段时,该名字指的就是这个类能看到的那个字段
(3)当子类声明了与父类同名的字段时,虽然在子类的内存中两个字段都会存在,但是子类的字段会遮蔽父类的同名字段
单分派与多分派
1、方法的宗量:方法的接收者与方法的参数
2、根据分派基于多少种宗量,可以将分派划分为单分派和多分派两种
(1)单分派:根据一个宗量对目标方法进行选择
(2)多分派:根据多于一个宗量对目标方法进行选择
3、Java语言是一门静态多分派、动态单分派的语言
(1)参数的静态类型、实际类型都对方法的选择不会构成任何影响,唯一可以影响虚拟机选择的因素只有该方法的接受者的实际类型
(2)因为只有一个宗量作为选择依据,所以 Java 语言的动态分派属于单分派类型
动态类型语言、静态类型语言
1、区别
(1)静态类型语言:对类型的检查是在编译期;动态类型语言:对类型的检查是在运行期
(2)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
2、动态语言的一个重要特征:变量没有类型信息,变量值才有类型信息
方法的调用:虚方法表
1、在面向对象的编程中,会很频繁的使用到动态分派
(1)动态分派是执行非常频繁的动作,而且动态分派的方法版本选择过程需要运行时在接收者类型的方法元数据中搜索合适的目标方法
(2)因此,Java虚拟机实现基于执行性能的考虑,真正运行时一般不会如此频繁地去反复搜索类型元数据,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,则可能影响到执行效率
(3)一种基础而且常见的优化手段,JVM 为类型在方法区中建立一个虚方法表(Virtual Method Table,也称为 vtable,与此对应的,在 invokeinterface 执行时也会用到接口方法表—— Interface Method Table,简称 itable),使用虚方法表索引来代替元数据查找以提高性能
(4)虚拟机除了使用虚方法表之外,为了进一步提高性能,还会使用类型继承关系分析(Class Hierarchy Analysis,CHA)、守护内联(Guarded Inlining)、内联缓存(InlineCache)等多种非稳定的激进优化来争取更大的性能空间
2、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
(1)如果某个方法在子类中没有被重写,那子类的虚方法表中的地址入口和父类相同方法的地址入口是一致的,都指向父类的实现入口
(2)如果子类中重写了这个方法,子类虚方法表中的地址也会被替换为指向子类实现版本的入口地址
3、虚方法表创建与初始化时机
(1)在类加载的链接阶段,被创建并开始初始化
(2)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
4、为了程序实现方便,具有相同签名的方法,在父类、子类的虚方法表中都应当具有一样的索引序号,这样当类型变换时,仅需要变更查找的虚方法表,就可以从不同的虚方法表中按索引转换出所需的入口地址
方法返回地址
1、存放调用该方法的程序计数寄存器的值
2、结束方法结束的两种方式
(1)正常执行完成
(2)出现未处理的异常,非正常退出
3、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
(1)正常退出时,调用者的程序计数寄存器的值,作为返回地址,即调用该方法的指令的下一条指令的地址
(2)异常退出时,要通过异常表来确定返回地址,栈帧中一般不会保存这部分信息
4、正常完成出口
(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
(1)一个方法在正常调用完成之后,最终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
(2)在字节码指令中,返回指令包含 ireturn(当返回值是 boolean、byte、char、short、int 类型时使用),lreturn(long 类型),freturn(float 类型),dreturn(double 类型),areturn(引用类型),return(void 方法、实例初始化方法、类和接口的初始化方法)
5、异常完成出口
(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,即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
(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
6、方法退出
(1)本质:当前栈顿出栈的过程,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、设置程序计数寄存器等,让调用者方法继续执行
(2)正常完成出口、异常完成出口的区别:通过异常完成出口退出,不会使其上层调用者产生任何的返回值
附加信息
1、栈帧中允许携带与 JVM 实现相关的一些附加信息
2、如:对程序调试提供支持的信息
事项
1、栈溢出(StackOverflowError)情况
(1)局部数组过大
(2)递归调用层次太多,即压栈次数太多
(3)指针或数组越界
2、通过 -Xss 设置栈的大小,但不能保证栈不溢出
3、分配的栈内存
(1)优点:一定时间内降低栈溢出概率
(2)缺点:挤占其它的线程空间,因为整个空间是有限的
4、垃圾回收不涉及到虚拟机栈
5、方法中定义的局部变量的线程安全
(1)如果对象是在内部产生,并在内部消亡,没有返回到外部,则线程安全
(2)如果对象返回到外部,则线程不安全
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