Java虚拟机（六）—

文章目录

虚拟机栈
- 虚拟机栈概述
- - 出现背景：
  - 优点
  - 缺点
  - 内存中的栈和堆
- 基本内容
- - Java虚拟机栈是什么
  - 生命周期
  - 作用
  - 栈的优点
  - 常见的错误有哪些
- 栈的存储单位
- - 栈的运行原理
  - 栈帧的内部结构
- 局部变量表（Local Variables）
- - slot理解
- 操作数栈（Operand Stack）
- 栈顶缓存技术（Top-of-StackCashing，ToS）
- 动态链接（Dynamic Linking)
- 方法的调用：解析与分派
- - 链接类型
  - - 静态链接
    - 动态链接
  - 方法绑定机制
  - - 早期绑定
    - 晚期绑定
- 方法的调用：虚方法与非虚方法
- - 非虚方法：
  - 虚方法：
  - 调动指令：
  - - 关于invokedynamic指令
    - 动态类型语言和静态类型语言
    - 重写的本质
  - 虚方法表
- 方法返回地址
- 一些附加信息
- 栈的面试题

虚拟机栈

虚拟机栈概述

出现背景：

由于跨平台的设计，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

跨平台
指令集小
编译器容易实现

缺点

性能下降
实现同样的功能需要执行更多的指令。

内存中的栈和堆

栈是运行时的单位，堆是存储的单位
- 局部变量的基本数据类型放在栈中
- 局部变量的引用数据类型的引用放在栈中，数据存在堆中。
- 默认下，堆空间是运行时数据区最大的一部分区域（某些情况下方法区可能会更大）
Java虚拟机中不止有栈和堆，还有其它内存结构

基本内容

Java虚拟机栈是什么

Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack），早起也叫Java栈。每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈。
是线程私有的
每一个方法对应着其中的一个栈帧（Stack Frame）

生命周期

与线程的生命周期一致

作用

主管Java程序的运行，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VS引用数据类型（类、数组、接口）

栈的优点

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器
JVM直接对Java栈的操作只有两个：
- 每个方法执行，伴随着入栈（进栈、压栈）
- 方法执行结束，出栈。
对于栈来说不存在垃圾回收问题（有OOM异常）

常见的错误有哪些

Java虚拟机规范允许 Java栈的大小是动态或者固定的

采用固定大小的Java虚拟机栈，每个线程的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虚拟机会抛出一个StackOverflowError
如果Java虚拟机栈可以动态扩展，并且尝试扩展的时候无法申请到足够的内存，或者创建新的线程时没有足够内存去创建对应的虚拟机栈，Java虚拟机会抛出OutOfMemoryError
-Xss 参数可以设置栈的大小。-Xss 1m 或者-Xss 1024k

栈的存储单位

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
这个线程上每个执行的方法都对应着一个栈帧
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。

栈的运行原理

JVM对栈的操作只有两个，就是PUSH 和POP，遵循FILO或者LIFO原则
一条活动线程中，某个时刻只有一个活动的栈帧，即只有当前正在执行的方法的栈帧（栈顶栈帧）是有效的，这个栈帧就被称为当前栈帧（Current Frame），与当前栈帧对应的方法就是 当前方法（Current 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
如果该方法中调用了其它方法，对应的新的栈帧就会被创建出来，放在栈的顶端，称为新的当前帧。

栈帧的内部结构

每个栈帧存储：

局部变量表（Local Variable）
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

局部变量表（Local Variables）

也称为局部变量数组或者本地变量表
定义为一个数字数组，主要用于存储方法参数和自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，是线程的私有数据，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器确定下来的，并保存在方法code属性的maximum local variables数据项中。在方法运行时局部变量表大小不会被改变
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
局部变量表最基本的存储单元是Slot（变量槽）
局部变量表中存放编译期可知的各种8中基本数据类型、引用类型（reference）和returnAddress类型的变量
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
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
局部变量表中的变量也是重要的垃圾回收根结点，被局部变量表中直接或者间接引用的对象都不会被回收

注：reference（引用）类型的长度在虚拟机规范中并没有明确规定，它的长度使用32位还是64位虚拟机有关，如果是64位虚拟机，还与是否开启某些指针的压缩的优化有关。

slot理解

参数值的存放总是在局部变量数组的index 0开始，到数组长度-1的索引结束
局部变量表，最基本的存储单元是Slot（变量槽）
- byte、short、char（通过ASCII码等）在存储前被转为int，boolean也被转为int，0表示false，1表示true
- long、 double占据两个slot
JVM 会为局部变量表中的每一个slot都分配一个访问索引，通过这个索引就可以成功访问到局部变量表中指定的局部变量值
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的每一个Slot上
如果需要访问局部变量表中一个64位的局部变量时，只需要使用前一个索引即可
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将会存在index为0的slot处，其余参数按照参数表顺序继续排列。
栈帧中的局部变量表的槽位是可以重复利用的 ，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去复用过期的局部变量的槽位，从而达到 节省资源的目标

操作数栈（Operand Stack）

每个独立的栈帧中除了包含局部变量表之外，还包含了一个 **后进先出（Last-In-First-Out,LIFO）**的操作数栈，也可以成为 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，往栈中写入数据或者提取数据，即入栈（push）/出栈（pop）
- 某些字节码指令将其压入操作数栈，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内，如：复制、交换、求和等
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，一个新的栈帧也就会随之被创建出来，此时这个操作数栈是空的
每一个操作数栈都会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属性中，为max_stack的值
栈中的任何一个元素都可以是任意Java数据类型
- 32位的类型占用一个栈单位深度
- 64位的类型占用两个栈单位深度
操作数栈下并不是采用访问索引的方式进行数据访问的，而是通过标准的入栈和出栈来完成一次数据访问
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，同时在类加载过程中的类检验阶段的数据流分析阶段再次验证
Java虚拟机的解释引擎是基于栈的执行引擎，其中的栈就是指的操作数栈

栈顶缓存技术（Top-of-StackCashing，ToS）

HotSpot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

动态链接（Dynamic Linking)

方法返回地址、动态链接、一些附加信息三部分在一些书中被称为帧数据区
每一个栈帧内部都包含着一个指向 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
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
- 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

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

方法的调用：解析与分派

链接类型

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，且运行时保持不变，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内无法被确定下来，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。此时这种链接方法叫动态链接

方法绑定机制

绑定是一个字段、方法或者类从符号引用被替换为直接引用的过程，仅发生一次

早期绑定

早期绑定就是指被调用的目标方法在编译期可知，且运行期间保持不变时，即可将这个方法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，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器无法被确定下来，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为晚期绑定；支持封装、继承、多态的语言都具备两种绑定方式，

方法的调用：虚方法与非虚方法

非虚方法：

如果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，这样的方法称为非虚方法
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

虚方法：

其它方法称为虚方法

调动指令：

虚拟机中提供了以下几条方法调用指令：

invokestatic：调用静态方法
invokesprcial：调用<init>方法、私有及父类方法、解析阶段确定唯一方法版本
invokeVirtual：调用所有虚方法
invokeinterface：调用接口方法

调用动态指令：

invokedynamic：动态解析出需要调用的方法，然后执行（jdk7以后）

前四条指令固化在虚拟机内部，方法的调用执行不可人为干预，而invokedynamic指令啧支持由用户确定方法版本，其中 invokestatic指令和invokespecial指令调用的方法称为非虚方法，其余的（除final修饰的以外）的称为虚方法

关于invokedynamic指令

JDK7中才加入了invokedynamic指令，是Java为了实现动态类型语言支持而做的一种改进
但是JDK7中并没有直接提供生成invokedynamic指令的方法，需要借助ASM这种底层字节码工具来生成invokedynamic指令。直到Java8中Lambda表达式出现，Java中才能直接生成invokedynamic指令。
Java7中增加的动态语言类型支持的本质是对Java虚拟机规范的修改，而不是对java 语言的修改，这一块相对来讲比较复杂。增加了虚拟机中的方法嗲用，最直接的受益者就是运行在Java平台的动态语言的编译器。

动态类型语言和静态类型语言

二者的区别就在于对类型的检查是在编译器还是在运行期，在编译期的就是静态类型语言，在运行期的是动态类型语言

即，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化值的类型信息，变量没有类型信息，变量值才有类型信息。

重写的本质

找到操作数栈顶的第一个元素锁执行的休息的实际类型，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.InllehalAccessError异常
否则按照继承关系从下往上一次对C的各个父类进行第二步的搜索和验证郭晨
如果始终没有找到合适的方法，则抛出java.lang.AbstractMethodError异常

IllegalAccessError：程序试图访问、修改一个属性或调用一个方法，而这个属性或方法没有权限访问。这个错误一般会引起编译器异常，如果发生在运行时，就说嘛一个类发生了不兼容的改变

maven中jar包冲突时，会报此错误

虚方法表

在面向对象的编程中，会很频繁的使用到动态分派，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采用在方法区简历一个虚方法表（Virtual Method Table）(非虚方法不会出现在表中)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，表中存着各个方法的实际入口
虚方法表会在加载阶段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

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
- 出现未处理异常，非正常退出
无论通过哪种方式退出，在退出后都会返回到该方法被调用的位置。
- 方法正常退出时，调用者的pc计数器作为返回地址，即调用该方法的指令的下一条指令的地址。
- 通过异常退出的，返回地址是要通过异常表来确定，栈帧中一般不保存这部分信息
- 二者区别在于：通过异常完成出口退出的不会给上层调用者任何返回值
- 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

正常完成出口：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。

一些附加信息

不一定有，了解即可

例如：对程序调试提供支持的信息

栈的面试题

调整栈的大小，能保证不出现溢出吗？
- 可以让溢出几率变小，但不能保证不会出现

分配的栈内存越大越好吗？
- 不是，栈越大，会挤占其它内存空间

垃圾回收是否会涉及到虚拟机栈？
- 不会涉及，GC只负责方法区和堆的回收
- 虚拟机栈只存在OOM。不存在GC
方法中定义的局部变量是否线程安全？
答：具体问题具体分析：StringBuffer（线程不安全）、StringBuilder（线程安全）