# 虚拟机栈

• Java 虚拟机栈早期也叫 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，对应着一次次的 Java 方法调用
• Java 虚拟机栈生命周期和线程一致
• Java 虚拟机栈主管 Java 程序的运行，它保存方法的局部变量，部分结果，并参与方法的调用和返回

# 栈的存储结构和内部原理

# 栈的存储结构

• 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
• 在这个线程上正在执行的每个方法都各自对应一个栈帧
• 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

# 栈的内部原理

• 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
• 在一条活动线程中，一个时间点上，只会有一个活动。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。与当前栈帧对应的方法就是当前方法，定义这个方法的类就是当前类
• 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，成为新的当前帧
• 不同线程中所包含的栈帧是不允许存在互相应用的，即不可能存在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，另一种是抛出异常，不管使用哪种方式，都会导致栈帧被弹出

# 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 (Dynamic Linking) (或指向运行时常量池的方法引用)
• 方法返回地址 (Return Address) (或方法正常退出或异常退出的定义)
• 一些附加信息

# 局部变量表

• 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，这些数据包括各类基本数据类型，对象引用，以及 returnAddress 类型
• 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
• 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
• 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

# 关于 Slot 的理解

• 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，最基本的存储但愿是 Slot (变量槽)
• 局部变量表中存放编译器可知的各种基本数据类型 (8 种), 应用类 (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 在储存前被转换为 int, boolean 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
• 如果当前帧是由构造方法或者实例方法创建的 (非静态方法), 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

# 补充说明

• 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，只要被局部变量表直接或间接引用的对象都不会被回收

# 操作数栈

• 每一个独立的栈帧还包含一个先进后出的操作数栈，也可以称之为表达式栈
• 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 / 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：执行复制，交换，求和等操作
• 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储存空间
• 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
• 每个操作数栈都会拥有一个明确的栈深度用于存储栈值，其所需的最大深度在编译器就定义好了，保存在方法区的 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完成一次数据访问
• 如果被调用的方法带有返回值，其返回值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流分析阶段要再次验证
• 我们所说的 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

# 动态链接

• 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。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的时，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

# 方法的调用

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器可知，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，只能在程序运行期间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应用的过程，这仅仅发生一次

• 早期绑定

  早期绑定就是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，只能够在程序运行期间根据实际的类型绑定相关的方法，这种绑定也就被称之为晚期绑定

动态链接 (晚期绑定) 的情况：有 Dog, Cat, Animal 且 Dog, Cat 继承自 Animal, methodA 中的参数为 Animal, 此时就不知道传入的是 Dog 还是 Cat, 所以只能使用动态链接 (晚期绑定)

# 虚方法和非虚方法

• 非虚方法 :
  • 如果方法在编译期就确定了具体的调用版本，这个版本在运行时是不可变的，这样的方法称为非虚方法
  • 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
  • 其他方法称为虚方法

虚拟机提供了以下几条方法调用指令 :

• 普通调用指令 :
  1. invokestatic : 调用静态方法，解析阶段确定唯一方法版本
  2. invokespecial : 调用方法，私有及父类方法，解析阶段确定唯一方法版本
  3. invokevirtual : 调用所有虚方法
  4. invokeinterface : 调用接口方法
• 动态调用指令 :
  5. invokedynamic : 动态解析出需要调用的方法，然后执行

前四条指令固化在虚拟机内部，方法的调用执行不可认为干预，而 invokedynamic 指令则支持由用户确定方法版本。其中 invokestatic 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

# 方法重写的本质

1. 找到操作数栈顶的第一个元素所执行的对象的实际类型，记为 C
2. 如果在类型 C 中找到与常量中的描述符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
3. 否则，按照继承关系从下往上一次对 C 的各个父类进行第 2 步的搜索和验证过程
4. 如果始终没有找到合适的方法，则抛出 java.lang.AbstractMethodError 异常

IllegalAccessError 介绍 :

程序试图访问或修改一个属性或调用一个方法，这个属性或方法，你没有权限访问。一般的，这个会引起编译器异常。如果这个错误发生在运行时，就说明一个类发生了不兼容的改变

# 虚方法表

• 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)(非虚方法不会出现在表中) 来实现。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 初始化完成之后，JVM 会把该类的方法表也初始化完毕

# 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。方法无法正常退出时，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。二通过异常推出的，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

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

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册调用者产生任何的返回值

当一个方法开始执行后，只有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，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