JVM中的栈和局部变量[转载]

当启动一个Java程序时，一个虚拟机实例也就诞生了。当该程序关闭退出，这个虚拟机实例也就随之消亡。如果在同一台计算机上同时运行三个Java程序，将得到三个Java虚拟机实例。每个Java程序都运行于它自己的Java虚拟机实例中。

    Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。根据《Java虚拟机规范（第2版）》的规定，Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域

1.class文件：虚拟机并不关心Class的来源是什么语言，只要它符合Java class文件格式就可以在Java虚拟机中运行。使用Java编译器可以把Java代码编译为存储字节码的Class文件，使用JRuby等其他语言的编译器一样可以把程序代码编译成Class文件。

2.类装载器子系统：负责查找并装载Class 文件到内存，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型。

3.方法区：在类装载器加载class文件到内存的过程中，虚拟机会提取其中的类型信息，并将这些信息存储到方法区。方法区用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。由于所有线程都共享方法区，因此它们对方法区数据的访问必须被设计为是线程安全的。

4.堆：存储Java程序创建的类实例。所有线程共享，因此设计程序时也要考虑到多线程访问对象(堆数据)的同步问题。

5.Java栈：Java栈是线程私有的。每当启动一个新线程时，Java虚拟机都会为它分配一个Java栈。Java栈以帧为单位保存线程的运行状态。虚拟机只会直接对Java栈执行两种操作：以帧为单位的压栈或出栈。当线程调用java方法时，虚拟机压入一个新的栈帧到该线程的java栈中。当方法返回时，这个栈帧被从java栈中弹出并抛弃。一个栈帧包含一个java方法的调用状态，它存储有局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。

 6.程序计数器：一个运行中的Java程序，每当启动一个新线程时，都会为这个新线程创建一个自己的PC(程序计数器)寄存器。程序计数器的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是Natvie方法，这个计数器值则为空(Undefined)。

7.本地方法栈：本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。任何本地方法接口都会使用某种本地方法栈。当线程调用Java方法时，虚拟机会创建一个新的栈帧并压入Java栈。然而当它调用的是本地方法时，虚拟机会保持Java栈不变，不再在线程的Java栈中压入新的帧，虚拟机只是简单地动态链接并直接调用指定的本地方法。如果某个虚拟机实现的本地方法接口是使用C连接模型的话，那么它的本地方法栈就是C栈。

8.执行引擎：负责执行字节码。方法的字节码是由Java虚拟机的指令序列构成的。每一条指令包含一个单字节的操作码，后面跟随0个或多个操作数。执行引擎执行字节码时，首先取得一个操作码，如果操作码有操作数，取得它的操作数。它执行操作码和跟随的操作数规定的动作，然后再取得下一个操作码。这个执行字节码的过程在线程完成前将一直持续。

 

Java中的栈

每当启用一个线程时，JVM就为他分配一个Java栈，栈是以帧为单位保存当前线程的运行状态。某个线程正在执行的方法称为当前方法，当前方法使用的栈帧称为当前帧，当前方法所属的类称为当前类，当前类的常量池称为当前常量池。当线程执行一个方法时，它会跟踪当前常量池。

每当线程调用一个Java方法时，JVM就会在该线程对应的栈中压入一个帧，这个帧自然就成了当前帧。当执行这个方法时，它使用这个帧来存储参数、局部变量、中间运算结果等等。

Java栈上的所有数据都是私有的。任何线程都不能访问另一个线程的栈数据。所以我们不用考虑多线程情况下栈数据访问同步的情况。

像方法区和堆一样，Java栈和帧在内存中也不必是连续的,帧可以分布在连续的栈里，也可以分布在堆里

Java栈的组成元素——栈帧

栈帧由三部分组成：局部变量区、操作数栈、帧数据区。局部变量区和操作数栈的大小要视对应的方法而定，他们是按字长计算的。但调用一个方法时，它从类型信息中得到此方法局部变量区和操作数栈大小，并据此分配栈内存，然后压入Java栈。

局部变量区 局部变量区被组织为以一个字长为单位、从0开始计数的数组，类型为short、byte和char的值在存入数组前要被转换成int值，而long和 double在数组中占据连续的两项，在访问局部变量中的long或double时，只需取出连续两项的第一项的索引值即可,如某个long值在局部变量区中占据的索引时3、4项，取值时，指令只需取索引为3的long值即可。

下面就看个例子，好让大家对局部变量区有更深刻的认识。这个图来自《深入JVM》：

public static int runClassMethod(int i,long l,float f,double d,Object o,byte b) {
        return 0;
    }

    public int runInstanceMethod(char c,double d,short s,boolean b) {
        return 0;
    }

上面代码片的方法参数和局部变量在局部变量区中的存储结构如下图：

上面这个图没什么好说的，大家看看就会懂。但是，在这个图里，有一点需要注意：

runInstanceMethod的局部变量区第一项是个reference（引用），它指定的就是对象本身的引用，也就是我们常用的this,但是在runClassMethod方法中，没这个引用，那是因为runClassMethod是个静态方法。

 

操作数栈和局部变量区一样，操作数栈也被组织成一个以字长为单位的数组。但和前者不同的是，它不是通过索引来访问的，而是通过入栈和出栈来访问的。可把操作数栈理解为存储计算时，临时数据的存储区域。下面我们通过一段简短的程序片段外加一幅图片来了解下操作数栈的作用。

int a = 100;

int b = 98;

int c = a+b;

从图中可以得出：操作数栈其实就是个临时数据存储区域，它是通过入栈和出栈来进行操作的。

帧数据区除了局部变量区和操作数栈外，Java栈帧还需要一些数据来支持常量池解析、正常方法返回以及异常派发机制。这些数据都保存在Java栈帧的帧数据区中。
当JVM执行到需要常量池数据的指令时，它都会通过帧数据区中指向常量池的指针来访问它。

除了处理常量池解析外，帧里的数据还要处理Java方法的正常结束和异常终止。如果是通过return正常结束，则当前栈帧从Java栈中弹出，恢复玻璃钢液下泵发起调用的方法的栈。如果方法又返回值，JVM会把返回值压入到发起调用方法的操作数栈。

为了处理Java方法中的异常情况，帧数据区还必须保存一个对此方法异常引用表的引用。当异常抛出时，JVM给catch块中的代码。如果没发现，方法立即终止，然后JVM用帧区数据的信息恢复发起调用的方法的帧。然后再发起调用方法的上下文重新抛出同样的异常。

栈的整个结构

在前面就描述过：栈是由栈帧组成，每当线程调用一个Java方法时，JVM就会在该线程对应的栈中压入一个帧，而帧是由局部变量区、操作数栈和帧数据区组成。那在一个代码块中，栈到底是什么形式呢？下面是我从《深入JVM》中摘抄的一个例子，大家可以看看：

代码片段：

执行过程中的三个快照：

 

上面所给的图，只想说明两件事情，我们也可用此来理解Java中的栈：

1、只有在调用一个方法时，才为当前栈分配一个帧，然后将该帧压入栈。

2、帧中存储了对应方法的局部数据，方法执行完，对应的帧则从栈中弹出，并把返回结果存储在调用方法的帧的操作数栈中。