【无为原创】全网最全JVM虚拟机栈讲解,一文弄懂先进后出的原理

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什么是栈帧

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。

方法和栈桢之间存在怎样的关系?

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)。 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。 graphic

栈帧的先进后厨FILO原理

在这里插入图片描述

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 遵循“先进后出”/“后进先出”原则

栈帧的内部结构

局部变量表(local variables)

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类基本数据类型(8种)、对象引用(reference),以及returnAddress类型。
  • 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。
  • 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。

局部变量表中的slot

  • 参数值的存放总是在局部变量数组的index为0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)
  • 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 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,只需要使用前一个索引即可。(比如:访问long或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继续排列。 在这里插入图片描述

槽位是可以复用嘛?

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。

 
 public class SlotTest {
    public void localVarl() {
        int a = 0;
        System.out.println(a);
        int b = 0;
    }
    public void localVar2() {
        {
            int a = 0;
            System.out.println(a);
        }
        //此时的b就会复用a的槽位
        int b = 0;
    }

静态变量与局部变量的对比

  • 参数表分配完毕之后,再根据方法体内定义的变量的顺序和作用域分配。
  • 我们知道类变量表有两次初始化的机会,第一次是在“准备阶段”,执行系统初始化,对类变量设置零值,另一次则是在“初始化”阶段,赋予程序员在代码中定义的初始值。
  • 和类变量初始化不同的是,局部变量表不存在系统初始化的过程,这意味着一旦定义了局部变量则必须人为的初始化,否则无法使用。
  public void test() {
     int i;
     System.out.println(i);
  }

这样的代码是错误的,没有赋值不能够使用。

操作数栈

概念

  • 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。
  • 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(Last-In-First-Out)的操作数栈,也可以称之为表达式栈(Expression Stack)。
  • 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
  • 操作数栈,在方法执行过程中,根据字节码指令,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,往栈中写入数据或提取数据来完成一次数据访问。
  • 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
  • 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。

代码及字节码演示

public void testAddOperation(){
    byte i = 15;
    int j = 8;
    int k = i + j;
}

字节码如下 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述

栈顶缓存技术

  • 前面提过,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(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。

动态链接(或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。

public void testGetSum(){
        int i = getSum();
    int j = 10;
}

在这里插入图片描述

为什么需要常量池?

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。

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。

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