JVM 专题八：运行时数据区（三）虚拟机栈

2.虚拟机栈

1. 概述

 

1.1 虚拟机栈出现背景

 

1. 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。

 

2. 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 内存中的堆与栈

 

1. 栈是运行时的单位，而堆是存储的单位

| 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的问题，即数据怎么放、放在哪儿。

 

2. 一般来讲，对象主要都是放在堆空间的，是运行时数据区比较大的一块

 

3. 栈空间存放基本数据类型的局部变量，以及引用数据类型的对象的引用

 

1.3 Java虚拟机栈是什么？

 

1. java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack），早期也叫Java栈。

 

2. 每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈(它是线程私有的)，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(一个栈桢对应一个Java方法)。
   

1.4 Java虚拟机栈的生命周期：

 

Java虚拟机栈的生命周期和线程是一致的

 

1.5 Java虚拟机栈的作用：

 

主管java程序的运行，它保存方法的局部变量（8种基本数据类型、对象的引用地址）、部分结果，并参与方法的调用和返回。

| 局部变量  VS  成员变量(属性)

| 基本数据类型变量   VS  引用类型变量(类、数组、接口)

 

1.6 虚拟机栈的特点

 

1. 栈是一种快速有效的分配存储方式，访问速度仅次于PC寄存器（程序计数器）

 

2. 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

 

4. 对于栈来说不存在垃圾回收问题，存在OOM

 

1.7 栈中可能出现的异常

 | 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

1. 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
   
2. 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虚拟机将会抛出一个OutOfMemoryError异常

 

1.8 设置栈的内存大小

| 我们可以使用参数-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。

IDEA设置方法：Run-EditConfigurations-VM options 填入指定栈的大小-Xss256k

2. 栈的存储单位

 

1. 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。

 

2. 在这个线程上正在执行的每个方法都各自对应一个栈帧(方法和栈桢是一对一的关系)。

 

3. 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。

 

4. 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/后进先出的和原则。

 

5. 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),与当前栈帧对应的方法就是当前方法（Current Frame）,定义这个方法的类就叫当前类。
   
6. 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。

 

7. 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，成为新的当前栈帧。
   
8. 不同线程中所包含的栈帧是不允许相互引用的，即不可能在另一个栈帧中引用另外一个线程的栈帧。

 

9. 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。

 

10. 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(没有处理异常，try catch的话是已经处理了)。不管使用哪种方式，都会导致栈帧被弹出。
    

3. 栈桢的内部结构

4. 局部变量表

 

4.1  概念

 

1. 局部变量表也被称之为局部变量数组或本地变量表。

 

2. 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。

 

3. 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。

 

4. 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。
   
5. 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，他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。

 

6. 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。

 

4.2 通过字节码文件查看帧的局部变量表

4.3 变量槽slot的理解

 

1. 参数值的存放总是在局部变量数组的index0开始，到数组长度-1的索引结束。

 

2. 局部变量表，最基本的存储单元是Slot(变量槽)。

 

3. 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。

 

4. 在局部变量表里，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。

| byte、short、char、float在存储前被转换为int，boolean也被转换为int，0表示false，非0表示true，引用类型也是32；

| long和double则占据两个slot，long和double占8个字节，一个字节8位，8*8=64。

5. 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。

 

6. 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声明顺序被复制到局部变量表中的每一个slot上。

 

7. 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或者double类型变量）。
     
8. 如果当前帧是由构造方法或者实例方法创建的（意思是当前帧所对应的方法是构造器方法或者是普通的实例方法，非静态），那么该对象引用this将会存放在index为0的slot处(会比静态方法多一个索引，index为0放了this)，其余的参数按照参数表顺序排列。
   
   
9. 静态方法中不能引用this，是因为静态方法所对应的栈帧当中的局部变量表中不存在this
   

4.4 slot的重复利用

 

栈帧中的局部变量表中的槽位是可以重复利用的，如果一个局部变量出了其作用域，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

4.5 静态变量与局部变量的对比及小结

 |  变量的分类：

1. 按照数据类型分：

 

• 基本数据类型;
• 引用数据类型；

 

2. 按照在类中声明的位置分：

 

• 成员变量：在使用前，都经历过默认初始化赋值

| static修饰：类变量：类加载linking的准备阶段给类变量默认赋值—>初始化阶段给类变量显式赋值即静态代码块赋值；

| 没有被static修饰：实例变量：随着对象的创建，会在堆空间分配实例变量空间，并进行默认赋值

• 局部变量：在使用前，必须要进行显式赋值的！否则，编译不通过
  

4.6 补充

 

1. 在栈帧中，与性能调优关系最为密切的部分就是局部变量表。在方法执行时，虚拟机使用局部变量表完成方法的传递

 

2. 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 概述

 

1. 栈 ：可以使用数组或者链表来实现

 

2. 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的操作数栈(用数组实现的)，也可以称为表达式栈

 

3. 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)或出栈(pop)

| 食材列表(局部变量表) —> 做法步骤(做菜的过程就可以理解为操作数栈的执行过程)

 

4. 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，使用他们后再把结果压入栈。（如字节码指令bipush操作）

| 比如：执行复制、交换、求和等操作

 

5. 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。

 

5.2 操作数栈特点

 

1. 操作数栈就是jvm执行引擎的一个工作区，当一个方法开始执行的时候，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。

 

2. 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器就定义好了，保存在方法的code属性中，为max_stack的值。

| 操作数栈是空的，意思是说数组已经创建，但是数组内部是空的。在创建数组的时候，数组长度就确定了。

 

3. 栈中的任何一个元素都是可以任意的java数据类型

| 32bit的类型占用一个栈单位深度

| 64bit的类型占用两个栈深度单位

 

4. 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

| 只是以数组的方式来实现，其本身并不是数组，而是栈

 

5. 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。
   
6. 操作数栈中的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，同时在类加载过程中的类验证阶段的数据流分析阶段要再次验证。

 

7. 另外，我们说Java虚拟机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。

 

5.3 操作数栈代码追踪

| 上图中局部变量表长度是4(3个变量+1个变量this)，操作数栈深度是2

| 小补充

 

5.4 栈顶缓存技术ToS（Top-of-Stack Cashing）

 

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

 

6. 动态链接(指向运行时常量池的方法引用)

 

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源文件被编译成字节码文件中时，所有的变量和方法引用都作为符号引用（symbolic Refenrence）保存在class文件的常量池里。比如：描述一个方法调用了另外的其他方法时，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。

| 为什么不直接把方法放到运行时常量池，要使用方法的引用？为什么需要常量池呢？

1. 就好比类和类的引用，需要时用引用去取，不用每一个地方存一份。
2. 常量池的作用，就是为了提供一些符号和常量，便于指令的识别，调用起来直接用指针指向，比较方便。

 

7. 方法的调用

 

1. 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。

 

2. 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。

 

3. 对应的方法的绑定机制为：早期绑定（Early Binding）和晚期绑定（Late Bingding）。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。
• 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，这种绑定方式被称之为晚期绑定。

class Animal{

    public void eat(){
            System.out.println("动物进食");
    }
}

interface Huntable{
    void hunt();
}

class Dog extends Animal implements Huntable{
    @Override
    public void eat() {
        System.out.println("狗吃骨头");
    }

    @Override
    public void hunt() {
        System.out.println("捕食耗子，多管闲事");
    }
}

class Cat extends Animal implements Huntable{

    public Cat(){
        // 编译期间就能确定调用的是父类的方法
        super();//表现为：早期绑定
    }

    public Cat(String name){
        // 编译期间就能确定调用的是当前类的方法
        this();//表现为：早期绑定
    }

    @Override
    public void eat() {
        super.eat();//表现为：早期绑定
        System.out.println("猫吃鱼");
    }

    @Override
    public void hunt() {
        System.out.println("捕食耗子，天经地义");
    }
}

public class AnimalTest {
    public void showAnimal(Animal animal){
        // 编译期间不能确定是哪个子类
        animal.eat();//表现为：晚期绑定
    }
    public void showHunt(Huntable h){
        // 编译期间不能确定是哪个实现类
        h.hunt();//表现为：晚期绑定
    }
}

4. 虚方法和非虚方法

    

• 非虚方法(和方法的重写相斥)

 

• 如果方法在编译器就确定了具体的调用版本，这个版本在运行时是不可变的。这样的方法称为非虚方法。(静态链接/早期绑定/非虚方法)

| 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

| 其他方法称为虚方法(编译器期间不确定调用哪个方法)

• 虚拟机中提供了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，非虚方法；

2. invokespecial：调用方法、私有及父类方法，解析阶段确定唯一方法版本，非虚方法；

3. invokevirtual：调用所有虚方法，final除外；

4. invokeinterface：调用接口方法；

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 .

 

/**
 * 解析调用中非虚方法、虚方法的测试
 *
 * invokestatic指令和invokespecial指令调用的方法称为非虚方法
 */
class Father {
    public Father() {
        System.out.println("father的构造器");
    }

    public static void showStatic(String str) {
        System.out.println("father " + str);
    }

    public final void showFinal() {
        System.out.println("father show final");
    }

    public void showCommon() {
        System.out.println("father 普通方法");
    }
}

public class Son extends Father {
    public Son() {
        //invokespecial
        super();
    }
    public Son(int age) {
        //invokespecial
        this();
    }

    //不是重写的父类的静态方法，因为静态方法不能被重写！
    public static void showStatic(String str) {
        System.out.println("son " + str);
    }

    private void showPrivate(String str) {
        System.out.println("son private" + str);
    }

    public void show() {
        //invokestatic,非虚方法
        showStatic("ysy.com");
        //invokestatic,非虚方法
        super.showStatic("good!");
        //invokespecial,非虚方法
        showPrivate("hello!");
        //invokespecial,非虚方法
        super.showCommon();

        //invokevirtual本来是调用虚方法，但是因为此方法声明有final，不能被子类重写，所以也认为此方法是非虚方法。
        showFinal();
        //虚方法如下：
        //invokevirtual
        // 没有显式加super，被认为是虚方法，因为子类可能重写showCommon
        showCommon();
        info();

        MethodInterface in = null;
        //invokeinterface，虚方法，不确定接口实现类是哪一个 需要重写
        in.methodA();
    }

    public void info(){

    }

    public void display(Father f){
        f.showCommon();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Son so = new Son();
        so.show();
                }
                }

interface MethodInterface{
    void methodA();
}

5. 动态类型语言和静态类型语言

 

• 动态类型语言和静态类型语言两者的区别就在于对类型的检查是在编译期还是在运行期，满足前者就是静态类型语言，反之则是动态类型语言。
• 直白来说静态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，变量没有类型信息，变量值才有类型信息,这是动态语言的一个重要特征
• Java是静态类型语言（尽管lambda表达式为其增加了动态特性），js，python是动态类型语言.

 

6. Java语言中方法重写的本质

 

• 找到操作数栈的第一个元素所执行的对象的实际类型，记作C。
• 如果在类型C中找到与常量中的描述符合简单名称都相符的方法，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异常。
• 否则，按照继承关系从下往上依次对C的各个父类进行第二步的搜索和验证过程。
• 如果始终没有找到合适的方法，则抛出java.lang.AbstractMethodError异常。

 

7. 虚方法表

 

• 在面向对象编程中，会很频繁期使用到动态分派(invokevirtual)，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的话就可能影响到执行效率。因此，为了提高性能，jvm采用在类的方法区建立一个虚方法表（virtual method table）（非虚方法不会出现在表中，因为非虚方法的方法是确定的）来实现。使用索引表来代替查找。
• 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。

| 虚方法表什么时候被创建？

虚方法表会在类加载的链接阶段(解析环节)被创建并开始初始化，类的变量初始值准备完成之后，jvm会把该类的方法表也初始化完毕。

• 举例

 

• 假设现在Son调用toString方法，由于Father没有重写，所以会直接找Object类型，不会再找到Father，hardChoice已经重写了，就直接是Son类型，不用再层层往上找
  
• 虚方法表
  

8. 方法返回地址（Return Address）

 

1. 存放调用该方法的PC寄存器的值(PC寄存器存放该方法执行下一条指令的值)。

 

2. 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

 

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。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。而通过异常退出时，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。

 

4. 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、将返回值也如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。

 

5. 正常完成出口和异常完成出口的区别在于：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。

 

6. 当一个方法开始执行后，只有两种方式可以退出这个方法：

 

• 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，简称正常完成出口；
• 在方法执行的过程中遇到了异常（Exception），并且这个异常没有在方法内进行处理，也就是只要在本方法的异常表中没有搜素到匹配的异常处理器，就会导致方法退出，简称异常完成出口

 

 7.代码演示

/**
 *
 * 返回指令包含ireturn（当返回值是boolean、byte、char、short和int类型时使用）、
 * lreturn、freturn、dreturn以及areturn，另外还有一个return指令供声明为void的方法、
 * 实例初始化方法、类和接口的初始化方法使用。
 */
public class ReturnAddressTest {
    public boolean methodBoolean() {
        return false;
    }

    public byte methodByte() {
        return 0;
    }

    public short methodShort() {
        return 0;
    }

    public char methodChar() {
        return 'a';
    }

    public int methodInt() {
        return 0;
    }

    public long methodLong() {
        return 0L;
    }

    public float methodFloat() {
        return 0.0f;
    }

    public double methodDouble() {
        return 0.0;
    }

    public String methodString() {
        return null;
    }

    public Date methodDate() {
        return null;
    }

    public void methodVoid() {

    }

    static {
        int i = 10;
    }

    public void method2() {

        methodVoid();

        try {
            method1();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public void method1() throws IOException {
        FileReader fis = new FileReader("atguigu.txt");
        char[] cBuffer = new char[1024];
        int len;
        while ((len = fis.read(cBuffer)) != -1) {
            String str = new String(cBuffer, 0, len);
            System.out.println(str);
        }
        fis.close();
    }
}

9. 一些附加信息

 

栈帧中还允许携带与java虚拟机实现相关的一些附加信息。例如，对程序调试提供支持的信息。（很多资料都忽略了附加信息）

10. 虚拟机栈的5道面试题

 

1. 举例栈溢出的情况？（StackOverflowError）

 

递归调用等，通过-Xss设置栈的大小；

 

2. 调整栈的大小，就能保证不出现溢出么？

 

不能，如递归无限次数肯定会溢出，调整栈大小只能保证溢出的时间晚一些

 

3. 分配的栈内存越大越好么？

 

越大是会延长了StackOverflowError发生的时间，但是会挤占其他线程的空间

 

4. 垃圾回收是否会涉及到虚拟机栈？

内存区块	Error	GC
程序计数器	X	X
本地方法栈	√	X
JVM虚拟机栈	√	X
堆	√	√
方法区	√	√

5 方法中定义的局部变量是否线程安全？

/**
 * 何为线程安全？
 *     如果只有一个线程可以操作此数据，则是线程安全的。
 *     如果有多个线程操作此数据，则此数据是共享数据。如果不考虑同步机制的话，会存在线程安全问题
 *
 * StringBuffer是线程安全的，StringBuilder不是
 */
public class StringBuilderTest {

    //s1的声明方式是线程安全的
    public static void method1(){
        //StringBuilder线程不安全
        StringBuilder s1 = new StringBuilder();
        s1.append("a");
        s1.append("b");
    }

    //stringBuilder的操作过程：是不安全的，因为method2可以被多个线程调用
    public static void method2(StringBuilder stringBuilder){
        stringBuilder.append("a");
        stringBuilder.append("b");
    }

    //s1的操作：是线程不安全的 有返回值，可能被其他线程共享
    public static StringBuilder method3(){
        StringBuilder s1 = new StringBuilder();
        s1.append("a");
        s1.append("b");
        return s1;
    }

    //s1的操作：是线程安全的 ，StringBuilder的toString方法是创建了一个新的String，s1在内部消亡了
    public static String method4(){
        StringBuilder s1 = new StringBuilder();
        s1.append("a");
        s1.append("b");
        return s1.toString();
    }

    public static void main(String[] args) {
        StringBuilder s = new StringBuilder();
        new Thread(()->{
            s.append("a");
            s.append("b");
        }).start();

        method2(s);
    }
}