运行时数据区 - 虚拟机栈

① 概述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。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更多的指令。是什么？Java虚拟机栈，早期也叫Java栈。每个线程再创建时都会创建一个相对应的虚拟机栈，其内部保存着一个个栈帧，对应着一次次的Java方法调用。虚拟机栈是线程私有的。生命周期与线程的生命周期相同。

一个欧维

488865人浏览 · 2022-02-23 17:14:51

一个欧维 · 2022-02-23 17:14:51 发布

① 概述

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。

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更多的指令。

是什么？

Java虚拟机栈，早期也叫Java栈。每个线程再创建时都会创建一个相对应的虚拟机栈，其内部保存着一个个栈帧，对应着一次次的Java方法调用。虚拟机栈是线程私有的。

生命周期

与线程的生命周期相同。

作用

管理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。

优点：

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。

栈中常见异常：

由于Java虚拟机允许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虚拟机栈，那每一个线程的虚拟机栈容量将再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了虚拟机栈允许的最大容量，则虚拟机会抛出一个StackOverflowError异常。

如果采用动态扩展的虚拟机栈，如果线程尝试扩展虚拟机栈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，那虚拟机会抛出OutOfMemoryError异常。

如何设置栈大小(IDEA中)：

run -> Edit Configurations -> VM options:-Xss256k

单位有 k / m / g

② 栈的存储单位

栈中的数据都是以栈帧的格式存在的。

在栈中运行的每个方法都对应一个栈帧。

栈帧是一个内存块，是一个数据集，这个数据集维系着方法执行过程中的所需数据信息。

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。

栈帧的内部结构：

局部变量表。
操作数栈。
动态链接。
方法返回地址。
一些附加信息。

③ 局部变量表/本地变量表

局部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内部的局部变量。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。
由于栈为线程独享的，所以不存在线程安全问题。
局部变量表所需的容量大小在编译期就已经确定下来了，并保存在方法的Code属性的maximum local variables数据项中。在方法的运行期间是不会改变局部变量表的大小的。

如何查看一个方法的局部变量表大小？

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Main main = new Main();
        int i = 100;
    }
}

编译后使用javap -v Main.class指令将字节码反汇编为汇编语言，其中标注了局部变量表大小。

或

在这里插入图片描述

查看局部变量表大小。

Slot局部变量表最基本的存储单元：

上面说过，局部变量表是一个int[]，其特性和int[]相同，从0位置开始到length - 1。

最基本的存储单元为Slot即变量槽。

其中：32位以内的类型只占用一个变量槽，64位的类型占用两个变量槽。

byte,short,char,boolean,float在存储前被转换为int且占据一个Slot。
long,double在存储前被转换为int且占据两个Slot。

静态方法比非静态方法多存储一个this变量。

Slot重复利用：

栈帧中的局部变量表中的槽位是可以被重复利用的，如果一个局部变量过了其作用域，那么之后申请的新的局部变量就会复用之前的局部变量槽位。

//局部变量表大小为 3
public void test() {
    int a = 0;
    {
        int b = 0;
        b = a + 1;
    }
    //变量 c 使用的是局部变量 b 的槽位。
    int c = a + 1;
}

④ 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域，当一个方法开始执行的时候，一个新的栈帧被随之创建，那么这个操作数栈也是空的。

操作数栈的表现为一个一维整型数组即int[]，那么当这个int[]被创建的时候，即使是空的，那么也是有长度的。

在这里插入图片描述

栈中的任何一个元素都可以是任意的Java数据类型。

32bit数据占一个单位深度。
62bit数据占两个单位深度。

⑤ 操作数栈的代码演示

//Java代码
public void test() {
    int a = 3;
    int b = 1;
    int c = a + b;
}


//字节码
0 iconst_3      //将3存入操作数栈中
1 istore_1      //将3从操作数栈中取出并放入局部变量表中索引为1的位置（因为0位置存放的是this）
2 iconst_1      //将1存入操作数栈
3 istore_2      //将1从操作数栈取出，存入局部变量表索引为2的位置
4 iload_1       //取出局部变量表索引为1的值，存到操作数栈中
5 iload_2       //取出局部变量表索引为2的值，存到操作数栈中
6 iadd          //相加并出栈  得到结果继续存入操作数栈  此时操作数栈只有一个值，即相加的结果
7 istore_3      //将相加结果存入到局部变量表索引为3的位置
8 return

⑥ 栈顶缓存技术

由于操作数是存储于内存中的，因此频繁地执行内存读/写操作必然会影响速度。

所以HotSpot JVM设计师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，一次降低读取次数，提升执行效率。

⑦ 动态链接

https://www.bilibili.com/video/BV1PJ411n7xZ?p=55

⑧ 方法的调用：解析与分配

早期绑定：早期绑定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，即可将这个方法于所属的类型进行绑定。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确定，只能在程序运行期间根据实际的类型绑定相关的方法，这种绑定方式称为晚期绑定。

**非虚方法：**不涉及到多态