虚拟机栈（上）
虚拟机栈的概述
虚拟机栈出现的背景
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。
其优点是跨平台,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。
内存中的堆与栈
栈是运行时的单位,而堆是存储的单位
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、放在哪儿。
虚拟机栈基本内容
- Java虚拟机栈是什么?
Java虛拟机栈( 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(一个栈帧就对应着一个方法)。
它是线程私有的 - 生命周期
生命周期和线程一致。 - 作用
主管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。
栈的特点(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:
①每个方法执行,伴随着进栈(入栈、压栈）
②执行结束后的出栈工作
●对于栈来说不存在垃圾回收问题
面试题：开发中遇到的异常有哪些?
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。
- 如果釆用固定大小的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。
举例：
假如有以下代码
public class test {
public static void main(String[] args) {
test();
}
public static void test(){
test();
}
}
程序会抛出异常: Exception in thread”main”java.lang. stackoverflowError
因为程序不断的进行递归调用,而且没有退出条件,就会导致不断地进行压栈。
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。
示例
有一段代码：
public class test {
private static int count=1;
public static void main(String[] args) {
System.out.println(count);
count++;
main(args);
}
}
由图可以发现，在栈内存大小默认的情况下，程序大概执行到11407就会出现栈溢出错误。
然后我们来更改栈内存大小
再运行程序可以看到程序在执行到2465就出现了栈溢出异常。
栈的存储单位
栈中都存储什么？
每个线程序都有自己的栈,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
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 (在栈顶栈帧) 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( CurrentMethod),定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。
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。
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
首先来复习一下知识点
局部变量表也被称之为局部变量数组或本地变量表
它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
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。
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。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。 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。
字节码中方法内部结构的剖析
关于slot的理解
局部变量表最基本的存储单元是slot(变量槽)
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,通过这个素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
注意：非静态方法、与构造方法（因为构造方法也能用this）在局部变量表中存储值的时候会在slot的初始位置放一个this变量，其余的变量就按顺序放
但是静态方法就不用放，这就解释了为什么在静态方法中不能用this：因为this变量不存在于当前方法的局部变量表中!
- 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)
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
举例：
public class testSlot {
public static void main(String[] args) {
}
public void localVar2() {
{
int a = 0;
System.out.println(a);
}
// 此时的b就会复用的槽位
int b= 0;
}
}
使用jclasslib来观看
可以发现局部变量表中A,B的索引相同，证明了B重复利用了A的slot
补充：
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。
操作数栈
也是局部变量表中的一部分。特点也是 先进后出，也可称之为表达式栈。
操作数栈负责的工作
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)/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,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。
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。
每一个操作数栈的最大栈深度（栈的大小）在编译期就定义好了,保存在方法的Code属性中,为 max_stack的值
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(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。
举例：
package cn;
public class TestOperationStack {
public static void main(String[] args) {
}
public void test1(){
byte i=15;
int j=8;
int k=i+j;
}
}
用javap进行反编译，然后再看
可以发现上面的流程是：15入栈->将结果保存到局部变量表–>8入栈->将结果保存到局部变量表->加载保存的结果15->加载保存的结果8->将二者相加->将结果保存到局部变量表->将结果返回
