JVM入门——虚拟机栈

由于跨平台的设计，Java 的虚拟机都是使用栈架构

内存中的栈和堆

栈是内存运行时的单位，而堆是存储的单位

举例：

虚拟机栈基本内容

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，对应一次次的 Java 方法调用。
生命周期与线程的生命周期一致。
主管Java程序的运行，它保存方法的局部变量、部分结果，并参与方法调用和返回。

栈的优点

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直接对 Java 栈的操作有两个：
- 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
对于栈来说不存在垃圾回收问题

栈中可能出现的异常

Java虚拟机规范允许Java栈的大小是动态的或者是固定不变的。
- 如果手动或自动线程请求分配的栈容量超过Java虚拟机栈允许的最大容量，就会引发报错 StackOverflowError
  - 手动设置栈大小，虚拟机选项 -xss

"C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_151\bin\java.exe" -Xss256k com.zxb.java.StackErrorTest

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。

栈的存储单位

栈中存储的是什么

每个线程都有自己的栈，栈中的数据都是以 栈帧（Stack Frame） 存在
每个线程的正在执行的方法都对应着一个栈帧
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。

栈的执行顺序

demo:

public class StackFrameTest {  
    public static void main(String[] args) {  
        method1();  
    }  
  
    public static void method1() {  
        System.out.println("method1()开始执行...");  
        method2();  
        System.out.println("method1()执行结束...");  
    }  
  
    private static int method2() {  
        System.out.println("method2()开始执行...");  
        int i = 10;  
        double j = method3();  
        System.out.println("method2()即将结束...");  
        return i + (int) j;  
    }  
  
    private static double method3() {  
        System.out.println("method3()开始执行...");  
        double j = 20.0;  
        System.out.println("method3()即将结束...");  
        return j;  
    }  
}

result:

method1()开始执行...
method2()开始执行...
method3()开始执行...
method3()即将结束...
method2()即将结束...
method1()执行结束...

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) (或方法正常退出或者异常退出的定义)
一些附加信息

局部变量表

局部变量表（Local Variables）也被称为 局部变量数组和本地变量表

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、对象引用 (reference) , 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。

可以在jclasslib工具查看

slot

局部变量表，最基础的存储单元是 Slot（变量槽）
局部变量表中存放的是编译器可知的各种基本数据类型，引用类型，returnAdress类型的变量。

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

slot可重用

局部变量与静态变量的对比：https://www.bilibili.com/video/BV1PJ411n7xZ?t=393.3&p=51
- 局部变量：默认在准备阶段和初始化阶段自动初始化
- 类变量（局部变量）：系统无法自动初始化

操作数栈

操作数栈（Operand Stack），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)操作来完成一次数据访问

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。

tips:

byte、short、char、boolean都以int类型保存

代码追踪

栈顶缓存（Top-of-StackCashing）技术

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（指向运行时常量池引用）

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。

为什么要用常量池呢

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

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，只能够在程序运行期将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(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
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根据实际的类型绑定相关的方法 ，这种绑定方式也就被称之为晚期绑定

虚方法和非虚方法

非虚方法：

如果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。
除非虚方法的其他方法称为虚方法。

虚拟机中提供了以下几条方法调用指令：

普通调用指令（加粗的为非虚方法调用）：
1. invokestatic:调用静态方法，解析阶段确定唯一方法版本
2. 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
3. invokevirtual:调用所有虚方法
4. invokeinterface:调用接口方法
动态调用指令：
1. invokedynamic:动态解析出需要调用的方法，然后执行
- 动态类型语言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。
- 说的再直白一点就是，静态类型语言是判断变量自身的类型信息：动态类型语言是判断变量值的类型信息，变量没有类型信息，变量值才有类型信息，

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。
注⚠️：final修饰的方法是非虚方法，但可能是invokevirtual

public final void showFinal() {  
    System.out.println("father show final");  
}

被调用时：

方法重写的本质

Java语言中方法重写的本质：

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。
如果在过程结束；如果不通类型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，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步的搜素和验证过程。
如果始终没有找到合适的方法，则抛出 java.lang.AbstractMethodError 异常。

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。这个错误如果发生在运行时，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
虚方法什么时候会创建？
- 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，VM会把该类的方法表也初始化完毕

方法返回地址

方法返回地址（Return Address），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。

异常处理

当方法A调用的方法B抛出异常时，可以查看异常表来定位异常信息

栈的运行原理

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。不管使用哪种方式，都会导致栈帧被弹出。

异常如果都不处理，默认交给main方法处理，main方法也不处理，则main方法无法继续执行

public class StackFrameTest {  
    public static void main(String[] args) {  
        method1();  
        System.out.println("main() 执行结束");  
    }  
  
    public static void method1() {  
        System.out.println("method1()开始执行...");  
        method2();  
        int i = 1 / 0;  
        System.out.println("method1()执行结束...");  
    }  
  
    private static int method2() {  
        System.out.println("method2()开始执行...");  
        int i = 10;  
        double j = method3();  
        System.out.println("method2()即将结束...");  
        return i + (int) j;  
    }  
  
    private static double method3() {  
        System.out.println("method3()开始执行...");  
        double j = 20.0;  
        System.out.println("method3()即将结束...");  
        return j;  
    }  
}

输出结果：

method1()开始执行...
method2()开始执行...
method3()开始执行...
method3()即将结束...
method1()即将结束...
Exception in thread "main" java.lang.ArithmeticException: / by zero
at com.zxb.java1.StackFrameTest.method1(StackFrameTest.java:12)
at com.zxb.java1.StackFrameTest.main(StackFrameTest.java:5)