JVM从零学习（四）操作数栈

操作数栈

• 每一个独立的栈桢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/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。

• 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桢的操作数栈中，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分析阶段再次验证。

• 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。

• 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，一个新的栈桢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的类型占用两个栈单位深度。

• 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和出栈操作来完成一次数据访问。

动态链接（指向运行时常量池的方法引用）

• 每一个栈桢内部都包含一个指向运行时常量池中该栈桢所属方法的引用。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。

那么什么是动态链接，具体看下面的例子

public class DynamicTest {
    int num = 0;
    
    private  void methodA(){
        System.out.println("methodA");
    }
    
    private int methodB(){
        methodA();
        num++;
        return num;
    }
}

字节码指令 javap 反编译后

常量池在运行时会放入方法区，所以叫作运行时常量池。
常量池的作用是：提供一些符号和常量，便于指令的识别。

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于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:早期绑定和晚期绑定。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。
• 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。

非虚方法（编译期确定具体调用方法）
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。
其他方法都是称为虚方法。

虚拟机提供了一下几条方法调用指令：

• 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（final方法除外）
  4.invokeinterface：调用接口方法

• 动态调用指令
  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，其余的（final修饰的除外）称为虚方法。

方法调用：方法重写的本质

Java语言中方法重写的本质

• 1.找到操作数栈桢的第一个元素所执行的对象的实际类型，记作C。
• 2.如果在过程结束；如果不通类型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，如果通过则访问这个方法的直接引用，查找不通过，则返回java.lang.IllegalAccessError异常。
• 3.否则，按照继承关系从下往上依次对C的各个父类进行第2步的搜索和验证过程。
• 4.如果始终没有找到合适的方法，则抛出java.lang.AbstractMethodError异常。

IllegalAccessError介绍
程序试图访问或修改一个属性或调用一个方法，这个属性或方法，你没有权限访问。一般的这个会引起编译期异常。这个错误如果发生在运行时，就说明一个类发生了不兼容的改变。

方法调用：虚方法表

• 在面向对象的编程中，会很频繁的使用动态分派，如果在每次动态分派的过程中都要重新再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（非虚方法不会出现在这个表中）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。
• 那么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会把该类的方发表也初始化完毕。

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个指令的地址。而通过异常退出的，返回地址是要通过异常表来确定，栈桢中一般不会保存这部分信息。
  当一个方法喀什执行后，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，会有返回值传递给上层的方法调用者，简称正常完成出口；
• 一个方法的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。
• 在字节码指令汇总，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。
  2.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。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，方便发生异常的时候找到处理异常的代码。

字节码异常表

Exception			tbale
from	to	target	type
4	16	19	any
19	21	19	any

上面的数字from或to以及target的数字代表的是字节码地址，type是异常类型。

栈面试的题目

• 举例栈溢出的情况？（StackOverflowError）
  通过设置-Xss设置栈的大小
• 调整栈大小就能保证不出现溢出吗？
  不能
• 分配的栈内存越大越好吗？
  不是
• 垃圾回收是否会涉及到虚拟机栈？
  不会