JVM虚拟机栈
JVM虚拟机栈
1.概述
1.1背景
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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。
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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
1.2概念
JVM虚拟机栈是Java虚拟机中的一个重要组成部分，用于存储线程执行方法时的局部变量、操作数栈、方法返回值等信息。每个线程在执行方法时都会创建一个对应的栈帧，栈帧中包含了方法的参数、局部变量以及方法执行过程中的中间结果。
JVM虚拟机栈的大小是固定的，由虚拟机在启动时设定。当线程调用一个方法时，JVM会为该线程创建一个新的栈帧，并将其推入虚拟机栈的顶部。当方法执行完毕后，栈帧会被弹出，线程继续执行下一个方法。
需要注意的是，虚拟机栈与堆内存是两个不同的概念。虚拟机栈用于存储方法执行时的局部变量等信息，而堆内存用于存储对象实例。虚拟机栈的生命周期与线程的生命周期一致，而堆内存的生命周期由垃圾回收器来管理。
1.3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中请到足够的内存，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。
1.4大小
可以使用参数-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。
2.运行原理
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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“先进后出”/“后进先出”原则。 [
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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，这个栈被称为当前栈帧(Current Erame)，与当前栈相对应的方法就是当前方法 (CurrentMethod)，定义这个方法的类就是当前类 (Current class)
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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。
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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。
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不同线程中所包含的栈顿是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。
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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
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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。
3.栈的内部结构
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
4.局部变量表
4.1特点
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局部变量表也被称之为局部变量数组或本地变量表
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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。
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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
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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。
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方法嵌套调用的次数由栈的大小决定。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，导致其嵌套调用次数就会减少
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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。
4.2slot
局部变量表是一个以变量槽（Slot）为单位的数组，每个槽可以存储一个局部变量。局部变量可以是各种基本数据类型（如int、float等）或者对象引用。在方法执行过程中，局部变量表会被用来存储方法参数、方法内部定义的局部变量以及临时变量等。
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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
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当一个实例方法被调用的时候，它的方法参数和方法体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
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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即可。(比如:访问long或double类型变量)
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如果当前帧是由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继续排列。
4.3slot的重复利用
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域，那么在其作用域之后申明的新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。
public class SlotTest {
public void localVar1() {
int a = 0;
System.out.println(a);
int b = 0;
}
public void localVar2() {
{
int a = 0;
System.out.println(a);
}
// 此时b就复用a的槽位
int b = 0;
}
}
举例：静态变量和局部变量对比
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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。
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我们知道类变量表有两次初始化的机会，第一次是在“准备阶段”，执行系统初始化，对类变量设置零值，另一次则是在“初始化”阶段，赋予程序员在代码中定义的初始值。
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和类变量初始化不同的是，局部变量表不存在系统初始化的过程，这意味着一目定义了局部变量则必须人为的初始化，否则无法使用。
4.3补充
- 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虚拟机使用局部变量表完成方法的传递.在方法执行时，
- 局部变量表中的变量也是重要的垃圾回收根节点，只要被局部变量表中直接或间接引用的对象都不会被回收。
5.操作数栈
5.1特点
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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-Eirst-Out)的操作数栈，也可以称之为表达式栈(Expression Stack) 。
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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)。
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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:执行复制、交换、求和等操作
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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的存储空间。
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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。
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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期就定义好了，保存在方法的Code属性中，为max stack的值。
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栈中的任何一个元素都是可以任意的Java数据类型。
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32bit的类型占用一个栈单位深度
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64bit的类型占用两个栈单位深度
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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。
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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数栈中，并更新PC寄存器中下一条需要执行的字节码指令
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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析阶段要再次验证。
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另外，Java虚拟机的解释引擎是基于栈的执行引擎，其中的栈就是操作数栈。
5.2代码示例
public void testAdd(){
byte i = 15;
int j = 8;
int k = i + j;
}
使用javap命令反编译class文件 ： javap -v 类名.class
void testAdd();
descriptor: ()V
flags:
Code:
stack=2, locals=4, args_size=1
0: bipush 15
2: istore_1
3: bipush 8
5: istore_2
6: iload_1
7: iload_2
8: iadd
9: istore_3
10: return
LineNumberTable:
line 11: 0
line 12: 3
line 13: 6
line 14: 10
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 11 0 this Lcom/dupeng/stack/OperandStackTest;
3 8 1 i B
6 5 2 j I
10 1 3 k I
}
SourceFile: "OperandStackTest.java"
6.栈顶缓存(Top-of-StlckCashing)技术
前面提过，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) 次数和内存读/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。
7.动态链接(Dynamic Linking)
动态链接(或指向运行时常量池的方法引用)是指在程序运行过程中，栈帧中的函数调用和返回过程中所涉及到的函数链接的过程。
在程序运行时，每个函数调用都会创建一个新的栈帧，栈帧中包含了函数的局部变量、参数和返回地址等信息。当一个函数调用另一个函数时，需要将控制权转移到被调用函数，并且需要将被调用函数的局部变量和参数传递给被调用函数。
动态链接的过程就是在函数调用时，将被调用函数的地址和相关信息动态地链接到调用函数的栈帧中。这样，在被调用函数执行完毕后，可以通过返回地址回到调用函数，并且可以正确地访问到被调用函数的局部变量和参数。
7.1方法的调用
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期可知，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之为静态链接。
- 动态链接:如果被调用的方法在编译期无法被确定下来，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具备动态性，因此也就被称之为动态链接。
对应的方法的绑定机制为:早期绑定 (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。
- 早期绑定: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方法究竟是哪一个，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，这种绑定方式也就被称之为晚期绑定。
7.2虚方法与非虚方法
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方法在编译期就确定了具体的调用版本，这个版本在运行时是不可变的，就是非虚方法。
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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。
8.方法返回地址
存放调用该方法的pc寄存器的值。
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
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。
9.相关问题
9.1. 举例栈溢出的情况(StackOverflowError)
当方法递归调用层级过深，导致栈空间不足时，就会发生栈溢出错误。例如，一个方法不断地调用自身，而没有终止条件，就会导致栈溢出。
9.2. 调整栈大小，就能保证不出现溢出吗?
通过-Xss参数可以设置栈的大小，但是栈的大小并不是越大越好。栈的大小是有限制的，过大的栈可能会导致系统资源的浪费。调整栈大小可以增加栈的容量，但并不能完全保证不出现溢出，因为栈的大小还受到其他因素的影响，如线程数量、方法调用深度等。
9.3. 分配的栈内存越大越好吗?
分配的栈内存越大并不一定越好。栈内存的大小是有限制的，过大的栈内存会占用系统资源，可能导致资源浪费。栈内存的大小应根据具体的应用场景和需求进行合理设置。
9.4. 垃圾回收是否会涉及到虚拟机栈?
垃圾回收并不直接涉及虚拟机栈。虚拟机栈中保存的是局部变量、方法参数、返回值等数据，而垃圾回收主要针对堆内存中的对象进行回收。虚拟机栈中的局部变量引用的对象如果在堆中没有其他引用，那么这些对象在垃圾回收时会被回收。
9.5. 方法中定义的局部变量是否线程安全?
方法中定义的局部变量是线程私有的，每个线程在执行方法时都会有自己的局部变量副本，因此局部变量是线程安全的。不同线程之间的局部变量互不影响，每个线程都有自己独立的栈帧，包含了局部变量表。但是需要注意的是，如果局部变量引用的是可变对象，并且多个线程同时修改该对象，就可能会出现线程安全问题，需要采取相应的线程同步措施来保证线程安全。
