虚拟机栈

1. 基本内容

• Java虚拟机栈是什么？

  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。且虚拟机栈是私有的。

• 生命周期

  生命周期和线程一致

• 作用

  主管Java程序的运行，它保存方法的局部变量、部分结果，并参与方法的调用和返回。

2. 栈的特点

• 栈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
  • 执行结束后的出栈工作
• 对于栈来说不存在垃圾回收问题

3. 可能会出现的异常

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

• 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异常，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虚拟机将会抛出一个OutOfMemoryError异常

4. 参数设置

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。

5. 栈内的存储单位

栈帧

• 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。

栈帧内部结构

• 局部变量表（Local Variables）

• 操作数栈（Operand Stack）

  表达式栈

• 动态链接（Dynamic Linking）

  指向运行时常量池的方法引用

• 方法返回地址（Return Address）

  方法正常退出或者异常退出的定义

• 附加信息

6. 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FILO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）
• 执行引擎运行的所以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，成为新的当前帧。
• 不同线程中所包含的栈帧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
• 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。
• 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。

7. 栈帧-局部变量表

• 局部变量表也被称之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种基本数据类型、对象引用，以及returnAddress类型
• 由于局部变量表是简历在线程的栈上，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。
• **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。
• **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。

主要包含 LineNumberTable、LocalVariableTable

slot

• 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）

• 局部变量表中存放编译期可知的各种基本数据类型，引用类型，returnAddress类型的变量

• 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

• 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

• 当一个实例方法被调用的时候，它的方法参数和方法体内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

• 如果需要访问局部变量表中一个64bit的局部变量值时，值需要使用前一个索引即可。（Long和Double类型）

• 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。

• slot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。

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调用时的参数传递。
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

8. 栈帧-操作数栈

• 每一个独立的栈帧中除了包含局部变量表以外，还包含一个操作数栈，也可以称之为表达式栈。

• 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，即入栈和出栈

  • 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。
  • 比如：执行复制、交换、求和等操作
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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要再次验证。

• Java虚拟机的解释引擎是基于操作数栈的执行引擎

• 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。

• 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。

• 栈中的任意一个元素都可以是任意的java数据类型

• 操作数栈并非采用访问索引的方式来进行数据访问，而是只能通过标准的入栈和出栈操作来完成一次数据访问。

9. 栈帧-动态链接

• 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保存在class文件的常量池中。

10. 栈帧-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：

  • 正常执行成功

    • 执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令，会有返回值传递给上层的方法调用者，简称正常完成出口。

    • 一个方法在正常调用完成之后究竟需要使用哪一个返回指令还需要根据方法返回值的实际数据类型而定

    • 在字节码指令中，返回指令包含ireturn（当返回值是boolean、byte、char、short和int类型时），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。

  • 出现未处理的异常，非正常退出

    • 在方法执行的过程中遇到了异常，并且这个异常没有在方法内进行处理，也就是只要在本地方法的异常表中没有搜索到匹配的异常处理器，就会导致方法退出。

    • 方法执行过程中抛出异常时的异常处理，存储在一个异常处理表，方便在发生异常的时候找到处理异常的代码。

• 无论通过哪种方法退出，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。

• 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。

11. 栈帧-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。