JVM（四）- 虚拟机栈
1. 虚拟机栈概述
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。
栈是运行时的单位，而堆是存储的单位。
即栈解决程序的运行问题，即程序如何执行，或者说如何处理数据。堆解决的是数据存储问题，即数据怎么放，放在哪儿。
虚拟机栈基本内容
Java 虚拟机栈是什么？
Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack），早期叫 Java 栈。每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈，其内部保存一个个的栈帧（Stack Frame），对应着一次次的 Java 方法调用。
它是线程私有的。
生命周期
和线程一致。
作用
主管 Java 程序的运行，保存方法的局部变量、部分结果，并参与方法的调用和返回。
栈的特点（优点）
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栈是一种快速有效的额分配存储方式，访问速度仅次于程序计数器
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JVM 直接对 Java 栈的操作只有两个
- 每个方法执行，伴随着进栈（入栈、压栈）
- 执行结束后的出栈工作
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对栈来说不存在垃圾回收问题（可能会溢出）
栈中可能的异常
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。
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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 虚拟机会抛出一个
OutOfMemoryError异常。
设置栈内存大小
使用参数 -Xss 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。
-Xss1m
-Xss1024k
-Xss1048576
2. 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对应一个栈帧
- 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
栈运行原理
- JVM 直接对 Java 栈的操作只有两个，就是对栈帧的压栈和出栈，遵循“先进先出”或“后进先出”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），与当前栈帧相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，称为新的当前帧
- 不同线程中所包含的栈帧是不允许相互引用的，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称为当前栈帧
- 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，另一种是抛出异常，不管使用哪种，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
3. 局部变量表（Local Variables）
局部变量表的认识
- 局部变量表也被称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，是线程私有的数据，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
- 方法嵌套调用的次数由栈的大小来决定，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，导致其嵌套调用的次数就会减少。
- 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. 操作数栈（Operand Stack）
每一个独立的栈帧中除了包含局部变量表以外，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。
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比如：执行赋值、交换、求和等操作。
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，同时在类加载的过程中的类检验阶段的数据流分析阶段要再次验证
另外，Java 虚拟机的解释引擎是基于栈的执行引擎，其中的栈指的是操作数栈。
操作数栈，主要用于保存计算过程中的中间结果，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，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，其所需要的最大深度在编译器就定义好了，保存在方法的 code 属性里，是 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
- 32 bit 的类型占用一个栈单位深度
- 64 bit 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（push）和出栈（pop）操作来完成一次数据访问。
5. 栈顶缓存技术
基于栈式架构的虚拟机所使用的零地址指令更加紧凑，但完成一项操作的时候必然需要更多的入栈和出栈指令，这同时也就意味着需要使用更多分派指令（instruction dispatch）次数和内存读写次数。
由于操作数是存储在内存中的，因此频繁执行内存读写操作必然会影响执行速度。为了解决这个问题，HotSpot JVM 的设计者提出了栈顶缓存（ToS，Top-of-Stack Cashing）技术，将栈顶元素全部缓存在物理 CPU 的寄存器中，来降低内存的读写次数，提升执行引擎的效率。
6. 动态链接（Dynamic Linking）
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。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。
7. 方法的调用：解析与分派
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。
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器可知，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为静态链接。
动态链接
如果被调用方法在编译器无法被确定下来，也就是说，只能够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中具备动态性，因此也就被称为动态链接。
8. 方法返回地址（Return Address）
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存放调用该方法的 pc 寄存器的值
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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
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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，栈帧中一般不会保存这部分信息。
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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。
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正常完成退出和异常退出的区别在于：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
9. 一些附加信息
10. 栈的相关面试题
举例栈溢出的情况（StackOverflowError）
通过 -Xss 设置栈的大小，会有 OOM
调整栈大小，就能保证不出现溢出吗
不能
分配的栈内存越大越好吗
不是
