java虚拟机栈

栈

java指令是根据栈来设计的，优点就是跨平台，指令集小，编译容易实现，缺点是性能有所下降，实现同样的功能需要更多的指令

栈是运行时的的单位，堆是存储单位，栈管运行，堆管存储

java栈是线程私有的，内部保存了一个一个的栈帧，一个栈帧对应一个方法，生命周期和线程一致，主管java程序的运行，保存方法的局部变量、部分结果、并参与方法的调用和返回

基本数据类型在栈中，引用类型在堆中

栈是很高效的存储空间，访问速度仅次于程序计数器，jvm堆栈的操作只有两个，方法执行时会伴随着进栈，执行结束后出栈，所以对栈来说不存在垃圾回收问题，但是可能存在oom

栈可能出现的异常

java虚拟机规范允许栈的大小是动态的或者固定不变的

• 如果采用固定大小的java虚拟机栈，那么每一个线程的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虚拟机允许的最大容量，java虚拟机会抛出StackOverflowError异常（栈溢出异常）
• 如果栈可以动态扩展，在尝试扩展的时候，无法申请到足够的内存，或者创建新线程时没有足够内存区创建对应的虚拟机栈，就会抛出OutOfMemoryError 异常，内存溢出异常

增加栈的大小，并不一定可以保证不溢出，只是能存放更多的栈帧，而且栈空间并不会被垃圾回收，无法调整gc来控制栈

分配的栈内存也不是越大越好，会挤占其他内存空间

方法定义中的局部变量不一共是线程安全的，如果是在一个方法内部产生内部消亡它就是线程安全的，如果不是，例如作为形参传入或者作为方法返回值的局部变量是不安全的

设置栈空间的大小

可以使用 -Xss 来设置线程的最大栈空间

设置为-Xss102400k

栈空间的扩大，只是可以存放更多的栈帧，但是也不能不免栈溢出

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的格式存在的，

• 每个方法对应一个栈帧，方法开始执行入栈，方法执行结束出栈

• 栈帧是一个内存区块，一个数据集，维系着方法执行过程中的各种数据信息

jvm对栈只有入栈和出栈两个操作，在一个时间点上只有一个活动的栈帧， 也就是当前正在执行的方法的栈帧（也就是栈顶栈帧），被称为当前栈帧，所对应的就是当前方法，定义这个方法的类就是当前类

执行引擎的所有字节码指令只针对当前栈帧进行操作，如果该方法调用了其他方法，对应新的栈帧就会被创建出来，放在栈的顶端，成为新的当前帧

如果当前方法调用了其他方法，方法返回时，当前栈帧会传回此方法的执行结果给前一个 栈帧，然后当前栈帧会被虚拟机丢弃，让前一个栈帧变成当前栈帧，java方法的返回，一种是正常的return返回，另一种是抛出异常，不管哪种方式，都会使栈帧被弹出

栈帧的内部结构：

每个栈帧都有一下结构：

• 局部变量表
• 操作数栈 （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（正常返回或者异常返回）
• 一些附加信息

局部变量表

也叫做局部变量数组或本地变量表

• 是一个数字数组，主要用于存储方法参数和定义在方法体内的局部变量，数据类型包括各类基本数据类型、对象的引用，以及returnAddress(返回地址)类型

• 因为局部变量表是建立在线程的栈上，是线程的私有数据，所以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就确定下来的，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，一个函数，它的参数和局部变量越多，局部年两表就越大，栈帧就越大，也就会占用更多的栈空间

• 局部变量表中的变量只在当前方法调用中有效，调用方法时，使用局部变量表完成参数值到参数列表的传递过程，方法调用结束后，随着方法栈帧的销毁，局部变量也会销毁

基本数据类型除了boolean和char以外，都是数字类型，char可以转换为int，boolean 0表示true，非0表示false

slot(变量槽)

• 局部变量表最基本的单位就是slot
• 局部变量表中存放编译期可知的各种基本数据类型、对象的引用，以及returnAddress(返回地址)类型
• 局部变量表中，32位以内的类型只占一个slot(包括returnAddress)，64位的类型（long、double）占用两个slot

局部变量表，如上图所示，会给每一个局部变量一个索引，可以通过索引访问局部变量，然而不同类型的局部变量所占空间不同，64位会占用两个槽，想要访问他们，只需要使用第一个槽的索引即可

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（静态方法是不存在this的）

栈帧中的局部变量表的槽位是可以重用的，如果一个局部变量超过了作用域，那么在他之后申明的新的局部变量就有可能重用过期的局部变量的槽位，达到节省资源的目的

在栈帧中，与性能调优最密切的就是局部变量表，方法执行时，虚拟机通过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

每个独立的栈帧中除了包含局部变量表以外，还有一个后进先出的操作数栈，也可以叫做表达式栈

操作数栈也是栈，只要是栈就是只有出栈和入栈操作，就是后进先出

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，也就是入栈/出栈

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（比如求和，先取出数据，执行完后在写回）

• 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，一个新的栈帧就会被创建出来，这个方法的操作数栈是空的（此时数组是空的，但是已经初始化过了，长度就已经固定了）
• 每一个操作数栈都会拥有一个明确的栈深度来存储数值，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，是max_stack的值
• 栈中的任意一个元素可以是任意的java数据类型，32位的类型占一个栈单位深度，64位的类型占两个栈单位的深度
• 操作数栈并非采用访问索引的方式来进行数据访问的（以数组这个结构来实现的，但依然是栈），而是只能通过标准的入栈和出栈操作来完成数据访问
• 如果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
• 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，这由编译器在编译期间进行验证，同时在类加载过程中的类检验阶段的数据分析阶段要再次验证
• Java虚拟机的解释引擎是基于栈的执行引擎，这里的栈就是操作数栈

栈顶缓存技术

jvm选用的基于栈的结构，只有入栈出栈操作，不需要地址，指令集会更小一些，但是因为频繁的入栈出栈操作，导致指令会很多，内存读写次数就会很多，所以hotspot的设计者就提出了栈顶缓存技术

• 将栈顶的元素全部缓存在物理cpu的寄存器中，以此来降低对内存的读写次数，提高执行引擎的执行效率

动态链接

动态链接又称：指向运行时常量池的方法引用

部分地方会把：动态链接、方法返回地址、一些附加信息统称为帧数据区

• 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是为了支持当前方法的代码能够实现动态链接
• 在java源文件被编译到字节码文件时，所有的变量和方法引用都作为符号引用保存到class文件的常量池中，动态链接的作用就是将这些符号引用转换为调用方法的直接引用

在类加载的时候，会把使用到的信息声明出来，然后具体使用到的时候，在引用，动态链接就用于找到方法区里的方法

方法的调用

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有关

符号引用如下：

• 静态链接：

  当一个字节码文件被装载到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为静态链接

• 动态链接：

  如果被调用的方法在编译器无法被确定下来，只能在程序运行期将调用方法的符号转换为直接引用，这种转换过程具备动态性，因此被称为动态链接

对应的方法绑定机制就是：早期绑定和晚期绑定，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（不管在哪个阶段，都只发生一次）

• 早期绑定：

  早期绑定就是指被掉用的目标方法如果在编译期可知，且运行期保持不变时，就可以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是哪一个，因此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，只能在程序运行期间根据实际的类型绑定相关的方法，就称为晚期绑定

面向过程类的语言，在编译期就可以确定关系（也就是把符号引用转换为直接引用的过程），是早期绑定，但是面向对象的语言（比如java，尽管面向对象类的语言越来越多，但是他们都是支持封装、继承、多态等面向对象的特征的），这一类语言因为多态性，就自然具备了早期绑定和晚期绑定两中绑定方式

虚方法和非虚方法

非虚方法：

• 如果方法在编译器就确定了具体的调用版本，这个版本在运行时是不可变的，这样的方法叫做非虚方法
• 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

其他方法被称为虚方法

虚方法类似于晚期绑定，在编译器无法确定要执行哪一个方法，只有在运行时才可以确定

虚拟机的普通指令调用：

• 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、私有及父类方法，解析阶段确定唯一方法版本
• invokevirtual：调用所有的虚方法
• 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（在1.7时增加的指令，但是直到1.8 lambda表达的出现才可以直接生成invokedynamic指令，java本质上是一种静态语言，但是invokedynamic的出现在一定程度上让java有了动态类型语言的特性）

动态语言和静态语言的区别：静态类型的语言在编译器就进行了类型的检查，动态类型的语言在运行期进行类型的检查

前四种指令固化在虚拟机内部，方法的调用执行不可人为干预，invoke指令则支持由用户确定方法版本

除了invokestatic、invokespecial指令调用的方法和final修饰的方法，其他方法都可称为虚方法

方法重写的本质

从本类向上依次寻找

• 找到操作数栈顶的第一个元素所执行的对象的实际类型，

• 然后在这个类型中找到与常量中的描述相符的方法，然后进行权限校验，通过就返回这个方法的引用，查找过程结束，不通过返回IllegalAccessError异常，

• 如果当前类型没有找到符合的方法，根据继承关系，从下往上依次寻找，如果始终没有找到合适的方法，会抛出AbsractMethodError异常（调用了抽象方法）

IllegalAccessError：访问权限和方法时，无权访问，例如private、protected

如果每次动态分派的过程中都要重新在类的方法中搜索合适的目标可能影响到执行效率，为了提高性能，jvm在类的方法区建立一个虚方法表（非虚方法不会出现在表中），可以使用索引表来代替查找

方法返回地址

存放了调用该方法的pc寄存器的值，pc寄存器的值就是下一条指令的值，把这个值交给执行引擎，去执行下一条指令

方法的结束可以是正常返回，也可以是异常退出，但是不管是哪种方式的退出都会返回该方法被调用的地方，

• 方法正常退出，调用者的pc计数器的值作为返回地址，也就是该方法的指令的下一条指令的地址，
• 异常退出，返回地址需要通过异常表来确定，栈帧中一般不会保存这部分信息

一些附加信息

栈帧中允许携带与java虚拟机实现相关的一些附加信息，例如，对程序调式提供支持的信息，所以不一定有，有很对地方会省略这个结构