Java虚拟机-----运行时栈结构

原 作者 潘璐 | 发表于 | 分类于 2013级

Java 虚拟机栈

      该区域也是线程私有的，它的生命周期也与线程相同。虚拟机栈描述的是 Java 方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧，栈它是用于支持续虚拟机进行方法调用和方法执行的数据结构。对于执行引擎来讲，活动线程中，只有栈顶的栈帧是有效的，称为当前栈帧，这个栈帧所关联的方法称为当前方法，执行引擎所运行的所有字节码指令都只针对当前栈帧进行操作。栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址和一些额外的附加信息。在编译程序代码时，栈帧中需要多大的局部变量表、多深的操作数栈都已经完全确定了，并且写入了方法表的 Code 属性之中。因此，一个栈帧需要分配多少内存，不会受到程序运行期变量数据的影响，而仅仅取决于具体的虚拟机实现。

在 Java 虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常情况：

  • 如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常。
  • 如果虚拟机在动态扩展栈时无法申请到足够的内存空间，则抛出OutOfMemoryError异常。

    • 这两种情况存在着一些互相重叠的地方：当栈空间无法继续分配时，到底是内存太小，还是已使用的栈空间太大，其本质上只是对同一件事情的两种描述而已。在单线程的操作中，无论是由于栈帧太大，还是虚拟机栈空间太小，当栈空间无法分配时，虚拟机抛出的都是 StackOverflowError 异常，而不会得到 OutOfMemoryError 异常。而在多线程环境下，则会抛出 OutOfMemoryError 异常。

    栈帧(Stack Frame)是用于支持虚拟机进行方法调用和方法执行的数据结构，它是虚拟机运行时数据区的虚拟机栈(Virtual Machine Stack)的栈元素。栈帧存储了方法的局部变量表，操作数栈，动态连接和方法返回地址等信息。第一个方法从调用开始到执行完成，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。main函数是程序的入口函数，所以它会存在于栈底。

    栈帧的概念结构如下图所示：

    这里写图片描述
    - 局部变量表
          局部变量表是一组变量值存储空间，用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量，其中存放的数据的类型是编译期可知的各种基本数据类型、对象引用（reference）和 returnAddress 类型（它指向了一条字节码指令的地址）。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，即在 Java 程序被编译成 Class 文件时，就确定了所需分配的最大局部变量表的容量。当进入一个方法时，这个方法需要在栈中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

          局部变量表的容量以变量槽（Slot）为最小单位。在虚拟机规范中并没有明确指明一个 Slot 应占用的内存空间大小（允许其随着处理器、操作系统或虚拟机的不同而发生变化），一个 Slot 可以存放一个32位以内的数据类型：boolean、byte、char、short、int、float、reference 和 returnAddresss。reference 是对象的引用类型，returnAddress 是为字节指令服务的，它执行了一条字节码指令的地址(基本用不着了)。对于 64 位的数据类型（long和double），虚拟机会以高位在前的方式为其分配两个连续的 Slot 空间。

    虚拟机通过索引定位的方式使用局部变量表，索引值的范围是从 0 开始到局部变量表最大的 Slot 数量，对于 32 位数据类型的变量，索引 n 代表第 n 个 Slot，对于 64 位的，索引 n 代表第 n 和第 n+1 两个 Slot。

    在方法执行时，虚拟机是使用局部变量表来完成参数值到参数变量列表的传递过程的，如果是实例方法（非static），则局部变量表中的第 0 位索引的 Slot 默认是用于传递方法所属对象实例的引用，在方法中可以通过关键字“this”来访问这个隐含的参数。其余参数则按照参数表的顺序来排列，占用从1开始的局部变量 Slot，参数表分配完毕后，再根据方法体内部定义的变量顺序和作用域分配其余的 Slot。

    局部变量表中的 Slot 是可重用的，方法体中定义的变量，作用域并不一定会覆盖整个方法体，如果当前字节码PC计数器的值已经超过了某个变量的作用域，那么这个变量对应的 Slot 就可以交给其他变量使用。这样的设计不仅仅是为了节省空间，在某些情况下 Slot 的复用会直接影响到系统的而垃圾收集行为。

    2、操作数栈

    • 操作数栈又常被称为操作栈，操作数栈的最大深度也是在编译的时候就确定了。32 位数据类型所占的栈容量为 1,64 位数据类型所占的栈容量为 2。当一个方法开始执行时，它的操作栈是空的，在方法的执行过程中，会有各种字节码指令（比如：加操作、赋值元算等）向操作栈中写入和提取内容，也就是入栈和出栈操作。
    • Java 虚拟机的解释执行引擎称为“基于栈的执行引擎”，其中所指的“栈”就是操作数栈。因此我们也称 Java 虚拟机是基于栈的，这点不同于 Android 虚拟机，Android 虚拟机是基于寄存器的。
    • 基于栈的指令集最主要的优点是可移植性强，主要的缺点是执行速度相对会慢些；而由于寄存器由硬件直接提供，所以基于寄存器指令集最主要的优点是执行速度快，主要的缺点是可移植性差。

    3、动态链接

    • 每个栈帧都包含一个指向运行时常量池（在方法区中，后面介绍）中该栈帧所属方法的引用，持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态连接。Class 文件的常量池中存在有大量的符号引用，字节码中的方法调用指令就以常量池中指向方法的符号引用为参数。这些符号引用，一部分会在类加载阶段或第一次使用的时候转化为直接引用（如 final、static 域等），称为静态解析，另一部分将在每一次的运行期间转化为直接引用，这部分称为动态连接。

    4、方法返回地址

    • 当一个方法被执行后，有两种方式退出该方法：执行引擎遇到了任意一个方法返回的字节码指令或遇到了异常，并且该异常没有在方法体内得到处理。无论采用何种退出方式，在方法退出之后，都需要返回到方法被调用的位置，程序才能继续执行。方法返回时可能需要在栈帧中保存一些信息，用来帮助恢复它的上层方法的执行状态。一般来说，方法正常退出时，调用者的 PC 计数器的值就可以作为返回地址，栈帧中很可能保存了这个计数器值，而方法异常退出时，返回地址是要通过异常处理器来确定的，栈帧中一般不会保存这部分信息。
    • 方法退出的过程实际上等同于把当前栈帧出站，因此退出时可能执行的操作有：恢复上层方法的局部变量表和操作数栈，如果有返回值，则把它压入调用者栈帧的操作数栈中，调整 PC 计数器的值以指向方法调用指令后面的一条指令。

    最后看一个小小的栗子理解一下概念

    import java.lang.*;
class Test{
    public int calc(){
        int a = 100;
        int b = 200;
        int c = 300;
        return (a*b)*c;
    }
}

    javac Test.java 编译该程序
    javap -verbose Test 查看java编译后class文件的字节码(反汇编)

    结果看下面：

    Classfile /home/panlu/Programs/java实验/Test.class
  Last modified 2015-11-19; size 262 bytes
  MD5 checksum 9e8f73723448cc61033ada1236b12d3e
  Compiled from "Test.java"
class Test
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #3.#12         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Class              #13            // Test
   #3 = Class              #14            // java/lang/Object
   #4 = Utf8               <init>
   #5 = Utf8               ()V
   #6 = Utf8               Code
   #7 = Utf8               LineNumberTable
   #8 = Utf8               calc
   #9 = Utf8               ()I
  #10 = Utf8               SourceFile
  #11 = Utf8               Test.java
  #12 = NameAndType        #4:#5          // "<init>":()V
  #13 = Utf8               Test
  #14 = Utf8               java/lang/Object
{
  Test();
    descriptor: ()V
    flags:
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 9: 0

  public int calc();
    descriptor: ()I
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: bipush        100
         2: istore_1
         3: sipush        200
         6: istore_2
         7: sipush        300
        10: istore_3
        11: iload_1
        12: iload_2
        13: imul
        14: iload_3
        15: imul
        16: ireturn
      LineNumberTable:
        line 11: 0
        line 12: 3
        line 13: 7
        line 14: 11
}
SourceFile: "Test.java"

    这里写图片描述

    解释一下这个图片：
    程序计数器从0号开始指示，每执行一句往下计数，为什么从0直接跳到2了呢？偏移量增加2是因为bipush指令占用一个偏移量 参数100也占用了一个偏移量。

    0: bipush       100   //将100压栈
2: istore_1           //将100出栈放那放入局部变量的1号Slot内
//200 300如上
11: iload_1      //将局部变量区的第1个变量压入栈
12: iload_2      //将局部变量区的第2个变量压入栈
13: imul         //将栈中的两个数据取出来进行相乘再放入操作栈中
14: iload_3
15: imul
16: ireturn     //返回