# 运行时数据区-虚拟机栈
# 1. 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，所以不能设计成基于寄存器的。
# 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。
# 栈是运行时的单位 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、放在哪儿。
# 2. 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。
- 内部是栈帧
- 是线程私有的
# 3. 生命周期
生命周期和线程一致。
# 4. 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。
# 5. 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2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，但是存在OOM。
# 6. 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虚拟机栈将会抛出一个 StackOverflowError 异常。
public class StackOOMTest {
public static void main(String[] args) {
main(args); // Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
}
}
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- 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用的虚拟机栈，那Java虚拟机将会抛出一个 OutOfMemoryError 异常。
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# 调整栈的大小：通过 -Xss 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
/**
* 设置栈的大小：-Xss256k
* <pre>
* 设置前 i = 11421
* 设置后 i = 2474
* </pre>
*/
public class StackErrorTest {
static int i = 1;
public static void main(String[] args) {
System.out.println(i);
i++;
main(args);
}
}
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# 7. 栈的存储单位
# 栈中存储什么？
- 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一个方法都各自对用一个栈帧（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。
# 8. 栈运行原理
- JVM直接对Java栈的操作只有两个，压栈和出栈，遵循“==先进后出==”/“==后进先出==”的原则。
- 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，对用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方法中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；另一种是抛出异常。不管使用哪一种方式，都会导致栈帧被弹出。
# 9. 栈帧的内部结构
每个栈帧存储着：
- 局部变量表（Local Variables）
- 操作数栈（Operand Stack）（表达式栈）
- 动态链接（Dynamic Linking）（指向运行时常量池的方法引用）
- 方法返回地址（Return Address）（方法正常退出或异常退出的定义）
- 一些附加信息
# 9.1 局部变量表（Local Variables）
- 局部变量表也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种基本数据类型、对象引用、以及returnAddress类型。
- 由于局部变量表是建立在线程的栈上，是线程私有的数据，因此不存在线程安全问题。
- 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Code属性的maximun 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，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，导致其嵌套调用的次数就会减少。
- 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。
比如： 代码第10行 double k = 30D; 从行号表里面找到对应的Start PC = 14，再从字节码文件中找到对应编号为 14 的字节码指令：14 ldc2_w #5 <30.0>
public void notStaticTest();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=5, args_size=1
0: bipush 10
2: istore_1
3: ldc #4 // float 20.0f
5: fstore_2
6: ldc2_w #5 // double 30.0d
9: dstore_3
10: return
LineNumberTable:
line 22: 0
line 23: 3
line 24: 6
line 25: 10
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 11 0 this Lcom/leichu/jvm/LocalVariablesTest;
3 8 1 i I
6 5 2 j F
10 1 3 k D
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# 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，他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和double类型变量）
- 如果当前帧是由构造方法（构造器）或者实例方法（非静态方法）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。
# 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声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，从未达到节省资源的目的。
public void notStaticTest() {
int i = 10;
long l = 100;
float j = 20f;
double k = 30D;
String s = "abc";
}
// 对应的 字节码：
public void notStaticTest();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=8, args_size=1
0: bipush 10
2: istore_1
3: ldc2_w #8 // long 100l
6: lstore_2
7: ldc #4 // float 20.0f
9: fstore 4
11: ldc2_w #5 // double 30.0d
14: dstore 5
16: ldc #7 // String abc
18: astore 7
20: return
LineNumberTable:
line 22: 0
line 23: 3
line 24: 7
line 25: 11
line 26: 16
line 27: 20
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 21 0 this Lcom/leichu/jvm/LocalVariablesTest;
3 18 1 i I
7 14 2 l J
11 10 4 j F
16 5 5 k D
20 1 7 s Ljava/lang/String;
// 查看 LocalVariableTable 第三列 slot
// long l = 100; 对应的 slot=2-3
// double k = 30D; 对应的 slot=5-6
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# 9.2 操作数栈（Operand Stack）
- 每一个独立的栈帧中除了包含局部变量表以外，还包含一个后进先出(LIFO)的操作数栈，也称之为表达式栈（Expression Stack）。
- 操作数栈，在方法执行过程中，根基字节码指令，往栈中写入或读取数据，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。使用之后再把结果压栈。
- 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。
- 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。
- 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可以是任意的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（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到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，这有编译器在编译期间进行校验，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。
# 栈顶缓存技术
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。
由于操作数是存储在内存中的，因此频繁的执行内存读/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。
# 9.3 动态链接（Dynamic Linking）（指向运行时常量池的方法引用）
- 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文件的常量池中。比如描述一个方法调用另外的方法是，就是通过常量池中指向方法的符号引用来表示的，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。
public class DynamicLinkingTest {
public void methodA() {
int a = 10;
int b = 20;
int r = methodB();
}
public int methodB() {
int i = 10;
int j = 20;
int k = i + j;
float fr = methodC();
return k;
}
public float methodC() {
float a = 10;
float b = 20;
return a + b;
}
}
// 字节码解析：
Classfile /D:/workspace/github-workspace/jvm/target/classes/com/leichu/jvm/DynamicLinkingTest.class
Last modified 2020-4-6; size 752 bytes
MD5 checksum dcffbd6c9291d36008eb09666f868955
Compiled from "DynamicLinkingTest.java"
public class com.leichu.jvm.DynamicLinkingTest
minor version: 0
major version: 49
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
#1 = Methodref #7.#31 // java/lang/Object."<init>":()V
#2 = Methodref #6.#32 // com/leichu/jvm/DynamicLinkingTest.methodB:()I
#3 = Methodref #6.#33 // com/leichu/jvm/DynamicLinkingTest.methodC:()F
#4 = Float 10.0f
#5 = Float 20.0f
#6 = Class #34 // com/leichu/jvm/DynamicLinkingTest
#7 = Class #35 // java/lang/Object
#8 = Utf8 <init>
#9 = Utf8 ()V
#10 = Utf8 Code
#11 = Utf8 LineNumberTable
#12 = Utf8 LocalVariableTable
#13 = Utf8 this
#14 = Utf8 Lcom/leichu/jvm/DynamicLinkingTest;
#15 = Utf8 methodA
#16 = Utf8 a
#17 = Utf8 I
#18 = Utf8 b
#19 = Utf8 r
#20 = Utf8 methodB
#21 = Utf8 ()I
#22 = Utf8 i
#23 = Utf8 j
#24 = Utf8 k
#25 = Utf8 fr
#26 = Utf8 F
#27 = Utf8 methodC
#28 = Utf8 ()F
#29 = Utf8 SourceFile
#30 = Utf8 DynamicLinkingTest.java
#31 = NameAndType #8:#9 // "<init>":()V
#32 = NameAndType #20:#21 // methodB:()I
#33 = NameAndType #27:#28 // methodC:()F
#34 = Utf8 com/leichu/jvm/DynamicLinkingTest
#35 = Utf8 java/lang/Object
{
public com.leichu.jvm.DynamicLinkingTest();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
LineNumberTable:
line 3: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 5 0 this Lcom/leichu/jvm/DynamicLinkingTest;
public void methodA();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=4, args_size=1
0: bipush 10
2: istore_1
3: bipush 20
5: istore_2
6: aload_0
7: invokevirtual #2 // Method methodB:()I
10: istore_3
11: return
LineNumberTable:
line 6: 0
line 7: 3
line 8: 6
line 9: 11
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 12 0 this Lcom/leichu/jvm/DynamicLinkingTest;
3 9 1 a I
6 6 2 b I
11 1 3 r I
public int methodB();
descriptor: ()I
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=5, args_size=1
0: bipush 10
2: istore_1
3: bipush 20
5: istore_2
6: iload_1
7: iload_2
8: iadd
9: istore_3
10: aload_0
11: invokevirtual #3 // Method methodC:()F
14: fstore 4
16: iload_3
17: ireturn
LineNumberTable:
line 12: 0
line 13: 3
line 14: 6
line 15: 10
line 16: 16
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 18 0 this Lcom/leichu/jvm/DynamicLinkingTest;
3 15 1 i I
6 12 2 j I
10 8 3 k I
16 2 4 fr F
public float methodC();
descriptor: ()F
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=3, args_size=1
0: ldc #4 // float 10.0f
2: fstore_1
3: ldc #5 // float 20.0f
5: fstore_2
6: fload_1
7: fload_2
8: fadd
9: freturn
LineNumberTable:
line 20: 0
line 21: 3
line 22: 6
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 10 0 this Lcom/leichu/jvm/DynamicLinkingTest;
3 7 1 a F
6 4 2 b F
}
SourceFile: "DynamicLinkingTest.java"
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# 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。
- 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，只能够在程序运行时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。
对用方法的绑定机制为：早期绑定（Early Dinding）和晚期绑定（Late Dinding）。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，只能在程序运行时期根据实际的类型绑定相关的方法，这种绑定方式被称之为晚期绑定。
# （例如：调用自身或父类构造器为早起绑定，实现父类或接口的方法一般为晚期绑定）
随着高级语言的出现，类似于Java一样的基于面向对象的编程语言如今越来越多，尽管这列编程语言在语法风格上存在一定的差别，但是他们之间始终保持着一个共性，那就是都支持封装、继承、多态等面向对象特性，既然这一类的编程语言具备多态性特性，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，他们相当于C++语言中的虚函数（C++中需要使用关键字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。
- 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。
- 虚方法
- 其他方法与虚方法。
虚拟机中提供了一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、私有方法、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、invokespecial指令调用的方法成为非虚方法，其余的（final修饰的除外）称为虚方法。