JVM--虚拟机栈

目录

• 1、基本介绍
• 2、字节码
  • 2.1、jclasslib插件
  • 2.2、助记符
• 3、栈的存储单位--栈帧
  • 3.1、栈帧内部结构
  • 3.2、局部变量表
    • 1. 局部变量表理解
    • 2. slot理解
    • 3. slot重复利用
    • 4. 静态变量与局部变量
    • 5. 补充说明
  • 3.3、操作数栈
    • 1. 操作数栈特点
    • 2. 操作数栈代码追踪
  • 3.4、动态链接
    • 1. 理解：
    • 2. 方法的调用
    • 3. 虚方法和非虚方法
    • 4. 方法调用指令
    • 5.虚方法表
  • 3.5、方法返回地址
  • 3.6、附加信息
• 4、相关面试题

1、基本介绍

内存中的堆和栈：

​ 注：局部变量是指8中数据类型以及对象的引用地址。

JVM直接对java栈的操作：

1. 每个方法执行，伴随着入栈/压栈
2. 执行结束后的出栈工作

• 对于栈不存在垃圾回收问题

• java栈的大小是动态的或者固定不变的

  • 修改栈大小

  

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2、字节码

2.1、jclasslib插件

2.2、助记符

• ldc：将int，float，String类型的常量值从常量池中推送至栈顶（LDC类）

• bipush：表示将单字节（-128~127）的常量值推送至栈顶

• sipush：表示将短整型常量值（-32768~32767）推送至栈顶(2^15=32768)

• iconst_1：表示将int类型的1推送至栈顶（iconst_0~iconst_5同样适用）

• iconst_m1：表示将int类型的-1推送至栈顶（详见ICONST类）

• anewarray：表示创建一个引用型（类、接口）的数组，推到栈顶

• newarray：表示创建一个原始类型（int,float...）的数组，推到栈顶

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3、栈的存储单位--栈帧

1. 每个线程都有自己的栈，数据在栈中的存储单位是栈帧
2. 每个方法对应一个栈帧
3. 栈帧是一个内存区块，是一个数据集
4. 线程之间栈不能共享

方法结束的三种方式：

1. 正常返回
2. 抛出异常（未捕获异常）结束

不管哪种方法结束，到会导致栈帧被弹出

​ 存在调用关系时，当方法返回时，当前栈帧会传递返回结果给前一个栈帧，接着虚拟机抛弃当前栈帧，使得前一个栈帧未新的当前栈帧。

3.1、栈帧内部结构

3.2、局部变量表

1. 局部变量表理解

2. slot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；

long和double则占据两个slot。

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），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

3. slot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。

4. 静态变量与局部变量

变量的分类：

• 按照数据类型分：
  • ①基本数据类型;
  • ②引用数据类型；
• 按照在类中声明的位置分：
  • ①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：类加载链接的准备preparation阶段给类变量默认赋0值——>初始化阶段initialization给类变量显式赋值即静态代码块赋值；
    • 不被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
  • ②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

5. 补充说明

• 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

3.3、操作数栈

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，也可以成为表达式栈

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）

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

代码举例

1. 操作数栈特点

• 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
• 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
• 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。
• 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。

2. 操作数栈代码追踪

结合上图结合下面的图来看一下一个方法（栈帧）的执行过程

①15入栈；②存储15，15进入局部变量表

注意：局部变量表的0号位被构造器占用，这里的15从局部变量表1号开始

③压入8；④8出栈，存储8进入局部变量表；

⑤从局部变量表中把索引为1和2的是数据取出来，放到操作数栈；⑥iadd相加操作

⑦iadd操作结果23出栈⑧将23存储在局部变量表索引为3的位置上istore_3

3.4、动态链接

1. 理解：

执行运行时常量池的方法引用

1、每一个栈帧内部都包含一个指向运行时常量池Constant pool或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

2、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字节码文件（javap反编译查看）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（#）最终转换为调用方法的直接引用。

3、常量池的作用：提供一些符号和常量便于指令的识别。

2. 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：早起绑定（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
  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。

随着高级语言的横空出世，类似于java一样的基于面向对象的编程语言如今越来越多，尽管这类编程语言在语法风格上存在一定的差别，但是它们彼此之间始终保持着一个共性，那就是都支持封装，集成和多态等面向对象特性，既然这一类的编程语言具备多态特性，那么自然也就具备早期绑定和晚期绑定两种绑定方式。
Java中任何一个普通的方法其实都具备虚函数的特征，它们相当于C++语言中的虚函数（C++中则需要使用关键字virtual来显式定义）。如果在Java程序中不希望某个方法拥有虚函数的特征时，则可以使用关键字final来标记这个方法。

3. 虚方法和非虚方法

子类对象的多态性使用前提：实际开发编写代码中用的接口，实际执行是导入的的三方jar包已经实现的功能
①类的继承关系（父类的声明）②方法的重写（子类的实现）

非虚方法

• 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

• 静态方法、私有方法、final方法、实例构造方法（实例已经确定，this()表示本类的构造器）、父类方法（super调用）都是非虚方法

• 其他所有体现多态特性的方法称为虚方法

4. 方法调用指令

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；
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；
3、invokevirtual：调用所有虚方法；
4、invokeinterface：调用接口方法；
动态调用指令（Java7新增）：
5、invokedynamic：动态解析出需要调用的方法，然后执行 .
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指令则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

其中invokevirtual（final修饰的除外，JVM会把final方法调用也归为invokevirtual指令，但要注意final方法调用不是虚方法）、invokeinterface指令调用的方法称称为虚方法。

package com.lx;

/**
 * 解析调用中非虚方法、虚方法的测试
 */
class Father {
    public Father() {
        System.out.println("Father默认构造器");
    }

    public static void showStatic(String s) {
        System.out.println("Father show static" + s);
    }

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

    public void showCommon() {
        System.out.println("Father show common");
    }

}

public class Son extends Father {
    public Son() {
        //invokespecial--->父类构造方法
        super();
    }

    public Son(int age) {
        this();
    }

    public static void main(String[] args) {
       //invokespecial-->构造方法
        Son son = new Son();
        //invokevirtual--->其它方法
        son.show();
    }

    //不是重写的父类方法，因为静态方法不能被重写
    public static void showStatic(String s) {
        System.out.println("Son show static" + s);
    }

    private void showPrivate(String s) {
        System.out.println("Son show private" + s);
    }

    public void show() {
        //invokestatic--->静态方法
        showStatic(" 儿子");

        //invokespecial--->私有方法
        showPrivate(" hello!");

        /*invokevirtual --->final方法
            因为此方法声明有final 不能被子类重写，所以也认为该方法是非虚方法
            JVM会把final方法调用也归为invokevirtual指令*/
        showFinal();
        //invokespecial---->父类方法
        super.showFinal();
        //invokespecial--->父类方法
        super.showCommon();

        /*虚方法如下*/

        //invokevirtual
        showCommon();//没有显式加super，被认为是虚方法，因为无法去顶子类是否重写了showCommon
        info();

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

    }

    public void info() {

    }

}

interface MethodInterface {
    void methodA();
}

5.虚方法表

• 在面向对象编程中，会很频繁期使用到动态分派，如果在每次动态分派的过程中都要重新在累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）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会把该类的虚方法表也初始化完毕。

3.5、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（方法的调用者可能也是一个方法）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。
• 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。

当一个方法开始执行后，只有两种方式可以退出这个方法

1、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；

• 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boolena、byte、char、short和int类型时使用）、lreturn、freturn、dreturn以及areturn(引用类型的)
• 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

2、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。

• 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。

  

3.6、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）

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4、相关面试题