JVM运行时数据区之虚拟机栈

devtools/2024/9/25 9:28:03/

【1】概述

Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack），早期也叫Java栈。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。

栈是运行时的单位，而堆是存储的单位

栈解决程序的运行问题，即程序如何执行，或者说如何处理数据。堆解决的是数据存储的问题，即数据怎么放，放哪里

生命周期

栈是线程私有的，生命周期和线程一致，也就是线程结束了，该虚拟机栈也销毁了。

作用

主管Java程序的运行，它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，它是相比于成员变量来说的（或属性）
  • 基本数据类型变量 VS 引用类型变量（类、数组、接口）
    在这里插入图片描述

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，伴随着进栈（入栈、压栈）
  • 执行结束后的出栈工作
  • 对于栈来说不存在垃圾回收问题（栈存在溢出的情况）

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栈中可能出现的异常

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容量，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。

设置栈内存大小

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

-Xss1m
-Xss1024k
-Xss1048576

Java虚拟机(JVM)为每个线程分配一个独立的栈空间，-Xss 参数用于设置每个线程的栈大小，而不是整个JVM的栈空间大小。这个参数允许你调整每个线程的栈空间大小，这对于控制内存消耗以及解决由于栈溢出错误（如 StackOverflowError）是非常有用的但是，JVM并没有直接的参数来设置所有线程栈空间的总和。

【2】栈的存储单位

① 栈种存储什么

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（Stack Frame）。

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。

② 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“先进后出”/“后进先出”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）。

执行引擎运行的所有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。

如下图所示每一个方法被执行则会对应入栈操作放到栈顶，方法执行结束对应出栈操作改变栈顶栈帧。
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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。

③ 栈帧的内部结构

每个栈帧中存储着：

  • 局部变量表（Local Variables）
  • 操作数栈（Operand Stack）（或表达式栈）
  • 动态链接（DynamicLinking）（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

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也就是下图中的LV、OS、DL以及RA。
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每个线程下的栈都是私有的，也就是每个线程都有自己各自的栈。每个栈里面都有很多栈帧，栈帧的大小主要由局部变量表 和 操作数栈决定的

如下所示一个线程通常会调用多个方法，那么就会有多个栈帧。这种结构对于每个线程来说都是一样的。
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【3】局部变量表

局部变量表：Local Variables，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。

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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。

public static void main(String[] args) {LocalVariablesTest test = new LocalVariablesTest();int num = 10;test.test1();
}

如上所示方法我们对其字节码采用命令javap -v LocalVariablesTest.class进行解析后如下所示：

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使用jclasslib插件查看如下所示：

Start
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这里做一下补充说明：

  • Start或Start PC（起始PC）是字节码指令中的行号
  • 长度/Length表示字节码指令的长度，上图是16
  • Start PC与Length合在一起表示变量的作用域
  • Slot表示变量存储在哪个槽位

① 关于Slot的理解

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基本数据类型（8种），引用类型（reference），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。

  • byte、short、char 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。

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部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，只需要使用前一个索引即可。（比如：访问long或double类型变量，其占用两个槽位，我们使用起始索引来访问。）
在这里插入图片描述在这里插入图片描述

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。

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② 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。

public void test4() {int a = 0;{int b = 0;b = a + 1;}//变量c使用之前已经销毁的变量b占据的slot的位置int c = a + 1;}

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③ 静态变量与局部变量的对比

变量的分类：

  • 按数据类型分：基本数据类型、引用数据类型
  • 按类中声明的位置分：成员变量（类变量，实例变量）、局部变量
  • 类变量：linking的prepare阶段，给类变量默认赋值，initial阶段给类变量显示赋值即静态代码块赋值
  • 实例变量：随着对象创建，会在堆空间中分配实例变量空间，并进行默认赋值
  • 局部变量：在使用前必须进行显式赋值，不然编译不通过。

参数表分配完毕之后，再根据方法体内定义的变量的顺序和作用域分配。

我们知道类变量表有两次初始化的机会，第一次是在“准备阶段”，执行系统初始化，对类变量设置零值，另一次则是在“初始化”阶段，赋予程序员在代码中定义的初始值。

和类变量初始化不同的是，局部变量表不存在系统初始化的过程，这意味着一旦定义了局部变量则必须人为的初始化，否则无法使用。

public void test5Temp(){int num;//System.out.println(num);//错误信息：变量num未进行初始化}

补充说明

在栈帧中，与性能调优关系最为密切的部分就是前面提到的局部变量表。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。

【4】操作数栈

每一个独立的栈帧除了包含局部变量表以外，还包含一个后进先出（Last - In - First -Out）的 操作数栈，也可以称之为 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，往栈中写入数据或提取数据，即入栈（push）和 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。使用它们后再把结果压入栈
  • 比如：执行复制、交换、求和等操作
    在这里插入图片描述

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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。

  • 操作数栈和局部变量表都是基于数组实现的
  • 这个时候操作数栈的数组是有长度的，因为数组一旦创建，那么就是不可变的。
    在这里插入图片描述

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。

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。

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。

【5】操作数栈指令分析

我们给定代码

public void testAddOperation() {byte i = 15;int j = 8;int k = i + j;
}

使用javap 命令解析class文件： javap -v 类名.class

  public void testAddOperation();descriptor: ()Vflags: ACC_PUBLICCode:stack=2, locals=4, args_size=10: bipush        152: istore_13: bipush        85: istore_26: iload_17: iload_28: iadd9: istore_310: returnLineNumberTable:line 10: 0line 11: 3line 12: 6line 16: 10LocalVariableTable:Start  Length  Slot  Name   Signature0      11     0  this   Lcom/atguigu/java1/OperandStackTest;3       8     1     i   B6       5     2     j   I10       1     3     k   I

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byte、short、char、boolean 内部都是使用int型来进行保存的

从上面的代码我们可以知道，我们都是通过bipush对操作数 15 和 8进行入栈操作

同时使用的是 iadd方法进行相加操作，i -> 代表的就是 int，也就是int类型的加法操作
Float、double、long以原格式存储，以原格式取出

执行流程如下所示：

首先执行第一条语句，PC寄存器指向的是0，也就是指令地址为0，然后使用bipush让操作数15入栈。

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执行完后，PC寄存器指向下一行指令，下一行指令就是将操作数栈的元素存储（转移）到局部变量表1的位置，我们可以看到局部变量表的已经增加了一个元素。
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为什么局部变量表不是从0开始的呢？其实局部变量表也是从0开始的，实例方法中0号位置存储的是this指针

PC寄存器指向下一行#3，让操作数8也入操作数栈。
PC寄存器指向下一行#5，执行store操作，存入局部变量表中并从操作数栈清除
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PC寄存器指向下一行#6，iload_1取出15。
PC寄存器指向下一行#7，iload_2取出8。这里 i 指的int，也表明了局部变量表以int类型存储。
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PC寄存器指向下一行#8，将操作数栈中的两个元素执行相加操作。
PC寄存器指向下一行#9，相加结果存储在局部变量表索引3的位置。
此时操作数栈清空。
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PC寄存器指向下一行#10，return方法结束。

【6】栈顶缓存技术

栈顶缓存技术：Top Of Stack Cashing

前面提过，基于栈式架构的虚拟机所使用的零地址指令更加紧凑，但完成一项操作的时候必然需要使用更多的入栈和出栈指令，这同时也就意味着将需要更多的指令分派（instruction dispatch）次数和内存读/写次数。

零地址指令没有显式地指定任何操作数。这类指令的操作数通常隐含在指令本身或者来自寄存器、累加器等
一地址指令指定一个操作数地址，另一个操作数通常隐含在指令中，如累加器
二地址指令指定两个操作数地址，通常一个作为源操作数，另一个作为目标操作数

由于操作数是存储在内存中的，因此频繁地执行内存读/写操作必然会影响执行速度。为了解决这个问题，HotSpot JVM的设计者们提出了栈顶缓存（Tos，Top-of-Stack Cashing）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。

【7】动态链接

动态链接：Dynamic Linking(或指向运行时常量池的方法引用)
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动态链接、方法返回地址、附加信息 ： 有些地方被统称为帧数据区

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（Dynamic Linking）。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（Symbolic Reference）保存在class文件的常量池里。(项目运行时就会存储在方法区的运行时常量池里面)

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。

在这里插入图片描述

为什么需要运行时常量池？

因为在不同的方法，都可能调用常量或者方法，所以只需要存储一份即可，节省了空间。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。

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【8】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。

① 静态链接/动态链接

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，因此也被称之为动态链接。

② 绑定机制

对应的方法的绑定机制为：早期绑定（Early Binding）和晚期绑定（Late Binding）。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。

早晚期绑定的发展历史

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、继承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 虚方法与非虚方法

  • 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。
  • 其他方法称为虚方法。

虚拟机中提供了以下几条方法调用指令：

普通调用指令：

  • invokestatic：调用静态方法，解析阶段确定唯一方法版本
  • invokespecial：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

动态调用指令：

  • 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。


http://www.ppmy.cn/devtools/94203.html

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