39-65-javajvm-运行时数据区-pc-栈

39-javajvm-运行时数据区：

运行时数据区

内存是非常重要的系统资源，是硬盘和CPU的中间仓库及桥梁，承载着操作系统和应用程序的实时运行JVM内存布局规定了Java在运行过程中内存申请、分配、管理的策略，保证了JVM的高效稳定运行。不同的JVM对于内存的划分方式和管理机制存在着部分差异。

我们通过磁盘或者网络IO得到的数据，都需要先加载到内存中，然后CPU从内存中获取数据进行读取，也就是说内存充当了CPU和磁盘之间的桥梁

Java虚拟机定义了若干种程序运行期间会使用到的运行时数据区，其中有一些会随着虚拟机启动而创建，随着虚拟机退出而销毁。另外一些则是与线程一一对应的，这些与线程对应的数据区域会随着线程开始和结束而创建和销毁。

灰色的为单独线程私有的，红色的为多个线程共享的。即：

• 每个线程：独立包括程序计数器、栈、本地栈。

• 线程间共享：堆、元数据区（永久代或元空间、代码缓存）

  

每个JVM只有一个Runtime实例。即为运行时环境，相当于内存结构的中间的那个框框：运行时环境。

线程
1、 JVM线程，JVM允许一个应用有多个线程并行的执行，每个线程都与操作系统的本地线程直接映射，当一个Java线程准备好执行以后，此时一个操作系统的本地线程也同时创建。Java线程执行终止后，本地线程也会回收操作系统负责将线程安排调度到任何一个可用的CPU上。一旦本地线程初始化成功，它就会调用Java线程中的run( )方法如果一个线程抛异常，并且该线程是进程中最后一个守护线程，那么进程将停止
2 、JVM系统线程，守护线程，虚拟机线程，周期任务线程，GC线程，编译线程，信号调度线程等。

程序计数器(PC寄存器)

空间小，线程私有，不会溢出，程序执行的依赖，字节码指令的引导。

1、JVM中的程序计数寄存器（Program Counter Register）中，Register的命名源于CPU的寄存器，寄存器存储指令相关的现场信息。CPU只有把数据装载到寄存器才能够运行。这里，并非是广义上所指的物理寄存器，或许将其翻译为PC计数器（或指令计数器）会更加贴切（也称为程序钩子），并且也不容易引起一些不必要的误会。JVM中的PC寄存器是对物理PC寄存器的一种抽象模拟。

2、它是一块很小的内存空间，几乎可以忽略不记。也是运行速度最快的存储区域。
3、在JVM规范中，每个线程都有它自己的程序计数器，是线程私有的，生命周期与线程的生命周期保持一致。
4、任何时间一个线程都只有一个方法在执行，也就是所谓的当前方法。程序计数器会存储当前线程正在执行的Java方法的JVM指令地址；或者，如果是在执行native方法，则是未指定值（undefined)。
5、它是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成
6、字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令。
7、它是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutofMemoryError情况的区域。

PC 寄存器的作用

PC寄存器用来存储指向下一条指令的地址，也就是即将要执行的指令代码。由执行引擎读取下一条指令，并执行该指令。
1

javap -v PcRegisterTest.class  #来源于尚硅谷。再次理解jvm
1

public static void main(String[] args) {
        int i = 10;
        int j = 20;
        int k = i + j;
        String s = "abc";
        System.out.println(i);
        System.out.println(k);
}
1
2
3
4
5
6
7
8

问?

使用PC寄存器存储字节码指令地址有什么用呢？为什么使用PC寄存器记录当前线程的执行地址呢？

因为CPU需要不停的切换各个线程，这时候切换回来以后，就得知道接着从哪开始继续执行。

JVM的字节码解释器就需要通过改变PC寄存器的值来明确下一条应该执行什么样的字节码指令。

PC寄存器为什么被设定为私有的？

一个cpu多个线程之间来回切换，线程的pc记录下一个执行的地址，不能被覆盖，每个线程要有自己的pc寄存器。pc不共享。保证当前线程数据的正确。线程之间互不影响。

CPU时间片：宏观并行，微观并发

虚拟机栈

虚拟机栈出现的背景
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。
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。
3、 内存中的栈与堆，栈解决程序的运行问题，而堆是存储的单位

虚拟机栈的基本内容

Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）。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，一个方法对应一个栈帧的入栈和出栈声明周期。

声明周期：生命周期和线程一致，也就是线程结束了，该虚拟机栈也销毁了。

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

1.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对栈只有入栈和出栈的操作。不存在gc，但是会溢出。

2.虚拟机栈的异常

Java 虚拟机栈的大小是动态或可固定不变的。（一个会栈溢出，也可能报OOM，可在创建线程就指定栈的容量大小）
1、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。
2、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。简称：栈溢出
3、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。

3.设置栈内存大小

可以用参数 -Xss来设置线程的最大栈空间，栈大小直接决定了函数调用的最大可达深度。-Xss1024m// 栈内存为 1024MBS。-Xss1024k

栈的存储单位

每个线程都有自己的栈，栈中的数据都是以栈帧（Stack Frame）为基本单位存储的。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）。一个方法的执行对应一个栈帧的入栈，一个方法的执行结束对应一个栈帧的出栈。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。
1.栈的运行原理 （只会进栈和出栈，线程之间不能互相引用，只要返回则出栈）

1、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
2、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，与当前栈帧相对应的方法就是当前方法,定义这个方法的类就是当前类
3、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。
4、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。
5、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。
6、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。
7、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。都会导致栈帧被弹出

2、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（或指向运行时常量池的方法引用），方法返回地址，一些附加信息

每个线程下的栈都是私有的，因此每个线程都有自己各自的栈，并且每个栈里面都有很多栈帧，栈帧的大小主要由局部变量表 和 操作数栈决定的

局部变量表

1、局部变量表

1.局部变量表：Local Variables，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。
6、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。
7、局部变量表中的变量只在当前方法调用中有效。
8、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。
9、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、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）
3、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 引用类型、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
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，只需要使用前一个索引即可。（比如：访问long或double类型变量）
5、如果当前帧是由构造方法或者实例方法(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。

3、Slot 的重复利用 （出了作用域槽会重用）

栈帧中的局部变量表中的槽位是可以重用的，如果一个局部变量出了其作用域，那么在其作用域之后声明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。

public void test4() {
    int a = 0;
    {
    	int b = 0;
    	b = a + 1;
    }
    //变量c使用 之前已经销毁的变量b占据的slot的位置
    int c = a + 1;
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9

操作数栈(Operand Stack)

1、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
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

2、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，当方法刚开始执行时，一个新的栈帧也会随之被创建出来，这个时候方法的操作数栈是空的（这个时候数组是创建好并且是长度固定的，但数组的内容为空）
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
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。

栈顶缓存技术(Top Of Stack Cashing)

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。为解决该问题，HotSpot JVM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。寄存器的主要优点：指令更少，执行速度快

动态链接(Dynamic Linking)（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
2.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
3.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
4.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

为什么要用常量池呢？

• 因为在不同的方法，都可能调用常量或者方法，所以只需要存储一份即可，然后记录其引用即可，节省了空间
• 常量池的作用：就是为了提供一些符号和常量，便于指令的识别

方法的调用：解析和分派

1、静态链接与动态链接
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（静态和动态，和重写有关）

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确定，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的方法的符号转换为直接引用，由于这种引用转换过程具备动态性，因此也被称之为动态链接。

2、方法的绑定机制
静态链接和动态链接对应的方法的绑定机制为：早期绑定（Early Binding）和晚期绑定（Late Binding）。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：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的类型进行绑定，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，只能在运行期根据实际的类型绑定相关的方法，被称之为晚期绑定。

3、虚方法和非虚方法 (静态static，final，private都为非虚方法，其他都为虚方法，虚动态解析执行)

• 在编译期就确定了具体调用版本，在运行时是不可变的方法称为非虚方法。静态、私有、final、实例构造器、父类方法都是非虚方法
• 其他方法称为虚方法。
• 子类对象的多态性的使用前提: 1)类的继承关系，2)方法的重写

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：调用方法、私有及父类方法，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
区别
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指令和invokespecial指令调用的方法称为非虚方法，其余的（final修饰的除外）称为虚方法。

4、关于 invokedynamic 指令（暂时了解）
Java为了实现【动态类型语言】支持而做的一种改进。

动态类型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。
Java语言：String info = “mogu blog”; (Java是静态类型语言的，会先编译再进行类型检查)
JS语言：var name = “shkstart”; var name = 10; （运行时才进行检查）
Python语言：info = 130.5; （动态类型语言）

5、方法重写的本质
Java 语言中方法重写的本质：（从下往上根据方法签名。权限，名称，参数找。找到第一个符合就返回，不符合就继续向上找）

找到操作数栈顶的第一个元素所执行的对象的实际类型，记作C。如果在类型C中找到与常量中的描述符合简单名称都相符的方法，则进行访问权限校验，如果通过则返回这个方法的直接引用，查找过程结束，如果不通过，则返回java.lang.IllegalAccessError 异常
否则，按照继承关系从下往上依次对C的各个父类进行第2步的搜索和验证过程。如果始终没有找到合适的方法，则抛出java.lang.AbstractMethodError异常。

6、方法表 （类未从写的方法，会存在该类的虚方法表中。当使用时，直接依据索引从表中取出即可。例如cat和object。重写tostring。虚方法表中存储其他clone等方法。tostring直接从cat查找）
在面向对象的编程中，会很频繁的使用到动态分派，如果在每次动态分派的过程中都要重新在类的方法元数据中搜索合适的目标的话就可能影响到执行效率。
因此，为了提高性能，JVM采用在类的方法区建立一个虚方法表（virtual method table）来实现，非虚方法不会出现在表中。使用索引表来代替查找。
每个类中都有一个虚方法表，表中存放着各个方法的实际入口。
虚方法表是什么时候被创建的呢？ 虚方法表会在类加载的链接阶段被创建并开始初始化，类的变量初始值准备完成之后，JVM会把该类的虚方法表也初始化完毕。
如图所示：如果类中重写了方法，那么调用的时候，就会直接在该类的虚方法表中查找

方法返回地址(return address)

存放 调用该方法的pc寄存器的值。
1、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、无论哪种方式退出，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。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。
3、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。

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、构造器、类和接口的初始化方法
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。

栈的相关面试题
问题一：举例栈溢出的情况？（StackOverflowError）

通过 -Xss 设置栈的大小

递归很容易出现栈溢出

问题二：调整栈大小，就能保证不出现溢出么？

不能保证不出现溢出，只能让栈溢出出现的时间晚一点，不可能不出现

问题三：分配的栈内存越大越好么？

不是，一定时间内降低了栈溢出的概率，但是会挤占其它的线程空间，因为整个虚拟机的内存空间是有限的

问题四：垃圾回收是否涉及到虚拟机栈？

不涉及

问题五：方法中定义的局部变量是否线程安全？（看变量，或入参或返回值是否多个线程操作）
如果有多个线程操作此数据，则此数据是共享数据。如果不考虑同步机制的话，会存在线程安全问题。
具体问题具体分析：

如果对象是在内部产生，并在内部消亡，没有返回到外部，那么它就是线程安全的，反之则是线程不安全的。