【jvm】虚拟机栈之操作数栈

一、说明

• 1.Operand Stack
• 2.栈可以使用数组或链表来实现
• 3.每一个独立的栈帧包含一个后进先出（Last-In-First-Out）的操作数栈
• 4.也可称为表达式栈（expression stack）
• 5.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）
• 6.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
• 7.可以用来执行复制、交换、求和等操作
• 8.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
• 9.操作数栈是jvm执行引擎的一个工作区，当一个方法刚开始执行的时候，一个新的栈帧也会被创建出来，这个方法的操作数栈是空的
• 10.每一个操作数栈都拥有一个明确的栈深度用于存储数值，所需的最大深度在编译器定义好了，保存在方法的code属性，为max_stack的值
• 11.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
• 12.操作数栈并非采用访问索引的方式来进行数据访问，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
• 13.被调用的方法带有返回值，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
• 14.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
• 15.java虚拟机的解释引擎是基于栈的执行引擎，该栈指的就是操作数栈

二、图解

2.1 代码示例

package com.learning.stack.operand_stack;

/**
 * @Author wangyouhui
 * @Description 操作数栈
 **/
public class OperandStackTest {
    public static void main(String[] args) {
        byte i = 15;
        int j = 8;
        int k = i + j;
    }
}
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2.2 javap操作

javap -v OperandStackTest.class
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Classfile /F:/jdk-learning/jvm/target/classes/com/learning/stack/operand_stack/OperandStackTest.class
  Last modified 2023-10-22; size 529 bytes
  MD5 checksum 82f8abcaba4fd78948113a564c4f83a1
  Compiled from "OperandStackTest.java"
public class com.learning.stack.operand_stack.OperandStackTest
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #3.#22         // java/lang/Object."":()V
   #2 = Class              #23            // com/learning/stack/operand_stack/OperandStackTest
   #3 = Class              #24            // java/lang/Object
   #4 = Utf8               
   #5 = Utf8               ()V
   #6 = Utf8               Code
   #7 = Utf8               LineNumberTable
   #8 = Utf8               LocalVariableTable
   #9 = Utf8               this
  #10 = Utf8               Lcom/learning/stack/operand_stack/OperandStackTest;
  #11 = Utf8               main
  #12 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #13 = Utf8               args
  #14 = Utf8               [Ljava/lang/String;
  #15 = Utf8               i
  #16 = Utf8               B
  #17 = Utf8               j
  #18 = Utf8               I
  #19 = Utf8               k
  #20 = Utf8               SourceFile
  #21 = Utf8               OperandStackTest.java
  #22 = NameAndType        #4:#5          // "":()V
  #23 = Utf8               com/learning/stack/operand_stack/OperandStackTest
  #24 = Utf8               java/lang/Object
{
  public com.learning.stack.operand_stack.OperandStackTest();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 7: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcom/learning/stack/operand_stack/OperandStackTest;

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: bipush        15
         2: istore_1
         3: bipush        8
         5: istore_2
         6: iload_1
         7: iload_2
         8: iadd
         9: istore_3
        10: return
      LineNumberTable:
        line 9: 0
        line 10: 3
        line 11: 6
        line 12: 10
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      11     0  args   [Ljava/lang/String;
            3       8     1     i   B
            6       5     2     j   I
           10       1     3     k   I
}
SourceFile: "OperandStackTest.java"

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三、图示

3.1 bipush 15

• 1.操作数栈和局部变量表一开始是空的
• 2.pc寄存器记录要操作的指令地址是0
• 3.byte i = 15;
• 4.byte、short、char、boolean、int都以int型来保存，bipush中b表示byte，i表示int
• 5.bipush 15是将15push到操作数栈当中
  

3.2 istore_1

• 1.pc寄存器记录要操作的指令地址2
• 2.istore_1将栈顶的15存到局部变量表索引为1的位置
• 3.已经转化为int类型了，所以用istore
• 4.非静态方法，局部变量表索引为0的位置是this变量，因此istore存的是索引为1的位置
• 5.操作数栈的栈顶出栈后变为空的
  

3.3 bipush 8

• 1.pc寄存器记录要操作的指令地址3
• 2.把8压入操作数栈的栈顶
  

3.4 istore_2

• 1.pc寄存器记录要操作的指令地址5
• 2.将操作数栈的栈顶数据出栈，保存到局部变量表索引为2的位置
• 3.操作数栈的栈顶数据出栈后，变为空
  

3.5 iload_1

• 1.pc寄存器记录要操作的指令地址6
• 2.iload_1将局部变量表中索引为1位置的数据取出压入操作数栈的栈顶
  

3.6 iload_2

• 1.pc寄存器记录要操作的指令地址7
• 2.iload_2将局部变量表中索引为2位置的数据取出压入操作数栈的栈顶
  

3.7 iadd

• 1.pc寄存器记录要操作的指令地址8
• 2.iadd会弹出操作数栈栈顶的数据，执行引擎将字节码指令翻译为机器指令，从而让cpu计算俩数据的和23
  
• 3.iadd将cpu计算的结果23压入操作数栈的栈顶
  

3.8 istore_3

• 1.pc寄存器记录要操作的指令地址9
• 2.istore_3将操作数栈的栈顶数据出栈，保存到局部变量表索引为3的位置
• 3.操作数栈的栈顶数据出栈后，变为空
  

3.9 return结束

四、附加

• 1.操作数栈从一开始到结束，只用到2个空间，即最大深度为2，即stack=2
• 2.局部变量表最大索引位置为3，局部变量表最大长度为4，索引为0的位置是this变量，即locals=4
  
• 3.尽量会以最小的范围来匹配push，例如byte范围为-128到127，在这个范围内的数会用bipush压入操作数栈，short范围为-32768到32727，当一个整数超过了byte范围，但还在short范围内，会用sipush压入操作数栈，以此类推