虚拟机栈

一、虚拟机栈概述

1、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。
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。

2、内存中的堆与栈

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    • 运行时的单位。
    • 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。
    • 存放基本数据类型的局部变量,以及引用数据类型的对象的引用。
    • 是存储的单位。
    • 堆解决的是数据存储的问题,即数据怎么放、放在哪儿。
    • 对象主要都是放在堆空间的,是运行时数据区比较大的一块。

3、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),对应这个一次次的java方法调用。它是线程私有的
  • 生命周期和线程是一致的
  • 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:相对于成员变量(或属性)
    • 基本数据变量: 相对于引用类型变量(类,数组,接口)

4、 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PC寄存器(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

5、 栈的常见异常

​ 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==
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public class StackOverFlowErrorTest {
public static void main(String[] args) {
//递归调用main
main(args);
}
}

​ 递归调用main,当主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==。

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  • 如果java虚拟机栈动态拓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==

6、设置栈的内存大小

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。 (IDEA设置方法:Run-EditConfigurations-VM options 填入指定栈的大小-Xss256k)

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/**
* 演示设置栈的内存大小
* 默认情况下:1M count 11404
* 栈大小: -Xss256k count 2466
* 栈大小: -Xss128m count 1656372
*/
public class StackErrorTest {
private static int count = 1;
public static void main(String[] args) {
System.out.println(count);
count++;
main(args);
}
}

二、栈的存储单位

1、栈的运行原理

  • 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对应各自的一个栈帧
  • 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- 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/后进先出的和原则。
  • 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)
  • 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,成为新的当前栈帧。
  • 不同线程中所包含的栈帧是不允许相互引用的,即不可能在另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。

2、栈帧内部的组成结构 image-20210621103004204

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)(或执行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==

==影响栈帧大小的主要是局部变量表==

3、栈帧与线程

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三、局部变量表(Local Variables)

1、概述

  • 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,是线程私有的数据,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【字节码最大长度】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,他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。

2、查看局部变量表

在IDEA 上安装jclasslib byte viewcoder插件查看局部变量表信息,以main()方法为例

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3、变量槽slot的理解与演示

  • 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、float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,只需要使用签一个索引即可。(比如:访问long或者double类型变量)

    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排列。

4、slot的重复利用

栈帧中的局部变量表中的槽位是可以重复利用的,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。

5、静态变量与局部变量的对比及小结

变量的分类:

  • 按照数据类型分:
    • ①基本数据类型;
    • ②引用数据类型;
  • 按照在类中声明的位置分:
    • ①成员变量:在使用前,都经历过默认初始化赋值
      • static修饰:类变量:类加载的链接的准备阶段给类变量默认赋值——>初始化阶段给类变量显式赋值即静态代码块赋值;
      • 不被static修饰:实例变量:随着对象的创建,会在堆空间分配实例变量空间,并进行默认赋值
    • ②局部变量:在使用前,必须要进行显式赋值的!否则,编译不通过
  • 补充:
    • 在栈帧中,与性能调优关系最为密切的部分就是局部变量表。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

四、操作数栈

1、概念

  • 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器就定义好了,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的类型占用两个栈深度单位
    • 操作数栈并非采用访问索引的方式来进行数据访问的,而是只能通过标砖的入栈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。
  • 操作数栈中的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验证阶段的数据流分析阶段要再次验证。

五、代码追踪

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。
结合操作数栈的概念来看一下一个方法(栈帧)的执行过程

Java代码

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public static void main(String[]args){
byte i=15;
int j=8;
int k=i+j;
}

查看其字节码文件

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0 bipush 15 //将值转化为int 保存到操作数栈中
2 istore_1 //将int的值15保存到局部变量表中
3 bipush 8 //将值8存入到操作数栈中
5 istore_2 //将8存入局部变量表中
6 iload_1 // 从局部变量表中取出索引为1的值 15 放入操作数栈中
7 iload_2 // 从局部变量表中取出索引为2的值 8 放入操作数栈中
8 iadd // 将操作数栈中出栈两个值 相加
9 istore_3 // 将上一步的结果放入局部变量表索引3的位置
10return //成功返回

六、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技术,**
    将栈顶元素全部缓存在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**

七、动态链接

  • 每一个栈帧内部都包含一个指向运行时常量池或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。比如invokedynamic指令

  • 在Java源文件被编译成字节码文件中时,所有的变量和方法引用都作为符号引用(symbolic
    Refenrence)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。

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例子

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public class DynamicLinkingTest {

int num = 10;

public void methodA(){
System.out.println("methodA()....");
}

public void methodB(){
System.out.println("methodB()....");
methodA();
num++;
}
}
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//methodA方法的类文件
0 getstatic #3<java/lang/System.out> // 符号引用 从常量池中读取
3 ldc #4<methodA()....>
5 invokevirtual #5<java/io/PrintStream.println>
8return

八、方法的调用:解析与分派

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。

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

九、方法返回地址

  • 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
  • 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。
    而通过异常退出时,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。
  • 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、将返回值也如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。
  • 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。

当一个方法开始执行后,只要两种方式可以退出这个方法: 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;

  • 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

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、freturn、dreturn以及areturn,另外还有一个return指令供声明为void的方法、实例初始化方法、类和接口的初始化方法使用

2、在方法执行的过程中遇到了异常(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素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
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。

十、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。(很多资料都忽略了附加信息)