虚拟机栈的出现背景

1. 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【如果设计成基于寄存器的，耦合度高，性能会有所提升，因为可以对具体的CPU架构进行优化，但是跨平台性大大降低】。
2. 优点是跨平台，指令集小，编译器容易实现，缺点是性能下降，实现同样的功能需要更多的指令。

内存中的栈与堆

1. 首先栈是运行时的单位，而堆是存储的单位。
2. 即：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

虚拟机栈基本内容

• Java虚拟机栈是什么？

  • 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，栈是线程私有的

虚拟机栈的特点

• 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

  • 栈不需要GC，但是可能存在OOM

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（Dynamic Linking）（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

局部变量表

认识局部变量表

概念

1. 局部变量表也被称之为局部变量数组或本地变量表
2. 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返回值类型。
3. 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
4. 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。
5. 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。
6. 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。

字节码行数

局部变量表中去找到代码行号

字节码指令行号

L  [  符号说明

关于Slot的理解
1. 参数值的存放总是从局部变量数组索引 0 的位置开始，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），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。
3. 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位的类型占用两个slot（1ong和double）。
o byte、short、char在储存前被转换为int，boolean也被转换为int，0表示false，非0表示true
o long和double则占据两个slot
4. 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
5. 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
6. 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）
7. 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。（this也相当于一个变量）

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新的局部变量变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。

操作数栈

操作数栈的特点

1. 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）

2. 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

操作数栈的作用

1. 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。

2. 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，这时方法的操作数栈是空的。

3. 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maxstack的值。

4. 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

5. 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。只不过操作数栈是用数组这个结构来实现的而已

6. 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。

7. 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要再次验证。

8. 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 局部变量表 OC寄存器之前的联动

1. PC寄存器：
工厂的调度员
• 它负责记录当前生产线正在执行的指令的位置。
• 每当指令执行完，它会告诉“生产线”（JVM线程）下一步需要做什么，比如跳到某个代码块或继续下一条指令。
• 它是个很小但关键的组件，不储存具体数据，只记录当前位置。

2. 局部变量表：
工厂的仓库
• 它是方法执行时存放“原材料”的地方，也就是变量的值（包括基本类型、对象引用等）。
• 每个方法调用都会分配一个局部变量表，存储方法的参数和临时变量，比如循环里的计数器或某个计算的中间结果。
• 工作时，机器（操作数栈）会从仓库取出原材料，或者把生产结果放回仓库。

3. 操作数栈：
工厂的加工台
• 它是用来执行具体计算和操作的地方，类似一个临时的工作区。
• JVM执行指令时，会从局部变量表（仓库）中取出数据，压入操作数栈，然后在操作数栈上完成计算。
• 比如，加法运算时，两个数会先被压入操作数栈，JVM执行iadd指令后，将结果保存在栈顶，或者再存回局部变量表。

栈顶缓存技术

栈顶缓存技术：Top Of Stack Cashing

1. 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（也就是你会发现指令很多）和导致内存读/写次数多，效率不高。

2. 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。

3. 寄存器的主要优点：指令更少，执行速度快，但是指令集（也就是指令种类）很多

动态链接

动态链接（或指向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

2. 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。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

动态链接可以简单理解为：在程序运行时，按需连接需要的库或资源，让程序能够正确执行。

通俗的类比

想象你开了一家餐厅，菜单上有很多菜，但有些特殊菜品（比如高档甜点）需要外面的师傅来做。你并不是每天都请这些师傅在餐厅等着，而是当顾客点了这些菜时，临时打电话让师傅来完成，这样既灵活又节省成本。

动态链接就像这个临时请来的师傅：

• 程序本身只包含必要的部分。
• 需要特殊功能时，才临时“链接”到外部的资源（动态库），把功能接入进来。

动态链接的作用

1. 节省内存和磁盘空间

程序不需要把所有功能都“装进包”，只需在运行时加载需要的功能。
例如：

• 操作系统中很多应用程序都需要文件操作功能，但它们不会重复实现，而是动态链接到系统提供的文件操作库（如 Windows 的 kernel32.dll）。

2. 更新方便

如果动态库更新了，所有使用它的程序都会自动享受到更新带来的好处，而无需重新编译程序。
例如：

• 程序使用了一个图形库，如果图形库修复了 bug，程序不用改代码，只需加载新的库。

3. 功能扩展

动态链接可以让程序在运行时加载新功能，而无需提前编译进去。
例如：

• 插件机制：比如浏览器加载不同的插件（动态链接），提供额外功能。

4. 跨语言支持

动态链接可以让 Java 程序调用用其他语言（如 C 或 C++）写的库。这在需要底层操作系统功能时非常常见。

动态语言和静态语言

1. 动态类型语言和静态类型语言两者的区别就在于对类型的检查是在编译期还是在运行期，满足前者就是静态类型语言，反之是动态类型语言。

2. 说的再直白一点就是，静态类型语言是判断变量自身的类型信息；动态类型语言是判断变量值的类型信息，变量没有类型信息，变量值才有类型信息，这是动态语言的一个重要特征。

方法返回地址

在一些帖子里，方法返回地址、动态链接、一些附加信息 也叫做帧数据区

1. 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

2. 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。

3. 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。

4. 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。

方法退出的两种方式

当一个方法开始执行后，只有两种方式可以退出这个方法，

正常退出：

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；
2. 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。
3. 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类型时使用

   • lreturn：Long类型

   • freturn：Float类型

   • dreturn：Double类型

   • areturn：引用类型

   • return：返回值类型为void的方法、实例初始化方法、类和接口的初始化方法

异常退出：

1. 在方法执行过程中遇到异常（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。

2. 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

异常处理表：

• 反编译字节码文件，可得到 Exception table
• from ：字节码指令起始地址
• to ：字节码指令结束地址
• target ：出现异常跳转至地址为 11 的指令执行
• type ：捕获异常的类型

一些附加信息

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。