JVM深入学习(四)-运行时数据区之虚拟机栈

2.1 概述

2.1.1 栈和堆

栈管运行,堆管存储

2.1.2 java虚拟机栈是什么

java虚拟机栈是线程私有的,每个线程启动的时候都会创建一个虚拟机栈,对应着java方法的调用

2.1.3 作用

主管程序的运行,保存方法的局部变量(基本数据类型可以直接存储,引用数据类型存储引用地址),部分结果,参与方法的调用的返回

2.1.4 栈的特点

1. 栈是一种快速有效的存储方式,仅次于PC register
2. 栈不存在垃圾回收问题,存在OOM
3. jvm对栈的操作只有两种

1. 随着方法的执行 入栈
2. 方法执行完毕 出栈

2.2 常见问题

2.2.1 虚拟机栈可能出现的异常

jvm规范是允许虚拟机栈的大小是固定的或者动态的

1. 固定 如果线程创建的时候请求分配的栈容量超过了java虚拟机栈允许的最大容量,抛出 StackOverflowError异常
2. 动态 如果在动态扩展的时候无法获取到足够的内存,或者线程申请虚拟机栈的时候没有足够的内存创建就会抛出 OutOfMemoryError异常 OOM

2.2.2 设置栈的大小

-Xss 设置栈的大小

2.3 栈的存储单位

栈的存储单元是栈帧

java一个方法与一个栈帧相对应

栈帧是一个内存区块,维系着方法执行过程中的各种数据信息

2.3.1 栈的原理

1. jvm对栈的操作只有两种 压栈和出栈 遵循FILO/LIFO(先入后出/后入先出)原则
2. 同一线程同一时间点只有一个栈帧是有效的,也就是位于栈顶的栈帧,称为当前栈帧, 与当前栈帧对应的方法就是当前方法,与当前方法对应的就是当前类
3. 执行引擎执行的指令也是当前栈帧进行操作,PC Register存储的也是当前栈帧的指令地址
4. 如果在当前方法中调用了新的方法,那么新的栈帧就被创建出来,成为新的当前栈帧
5. 不同线程中包含的栈帧是不允许存在相互引用的,不可能在一个栈帧中引用另外一个线程的栈帧
6. 方法有两种返回返回的方式,不管是哪种返回都会导致栈帧弹出

1. 方法执行完毕,正常返回
2. 抛出异常返回

2.3.2 栈祯的存储结构

1. 局部变量表 Local Variables
2. 操作数栈 Operand Stack
3. 动态链接 Dynamic Linking
4. 方法返回地址 Return Address
5. 附加信息

2.3.2.1 局部变量表

1. 局部变量表是一个数字数组,存储方法参数和方法体内的局部变量,包括8种基本数据类型,对象引用和returnAddress类型(返回类型)
2. 局部变量表线程安全,因为存放在栈帧中,是线程私有的
3. 局部变量表的大小是编译期就确定的,运行期不会再改变
4. 方法嵌套调用的次数由栈的大小决定,也就是栈内栈帧的多少由栈的大小决定
5. 当方法执行完毕后,栈帧销毁,局部变量表也随之销毁

例子:

package com.zy.study04;

/**

* @Author: Zy

* @Date: 2021/7/28 11:36

*/

public class StackFrameTest {

   public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {

       StackFrameTest test = new StackFrameTest();

       test.clone();

       int num = 1;

   }

}

使用jclasslib查看局部变量表

可以看到局部变量表中存储了main方法的两个变量和一个形参,所以局部变量表的大小为3

变量槽slot,局部变量表的基本单位

局部变量表中32位以内占用一个slot(包括引用数据类型),64位的占用两个slot(long和double)

局部变量表与类变量的对比:

1. 变量的分类

1. 变量按数据类型分类:

1. 基础数据类型
2. 引用数据类型

2. 变量按作用域分类:

1. 成员变量

1. 类变量即静态变量
2. 实例变量

2. 局部变量

2. 对比局部变量和类变量:

1. 类变量经历linking/prepare阶段进行默认赋值,initaizal阶段进行初始化赋值(静态代码块)   局部变量不会默认赋值,在使用前必须显式赋值

补充说明:
局部变量表的调优是性能调优的重要部分,因为局部变量表占据栈帧的很大一份空间,而且被局部变量表直接引用或者间接引用的对象都不会被回收,涉及到垃圾回收算法的垃圾回收根节点

2.3.2.2 操作数栈(Operand Stack)

操作数栈是基于的数组实现的栈结构(后入先出)

操作数栈: 在方法执行中,根据字节码指令,往操作数栈中写入数据/提取数据,也就是入栈/出栈操作(执行引擎).

1. 操作数栈主要用于保存计算过程的中间结果,同时也作为计算过程中变量的临时存储空间
2. 操作数栈在就是jvm执行引擎的一个工作区,当刚开始执行一个方法的时候,创建了一个栈帧,这个时候操作数栈是空的(数组深度已经有了)
3. 与局部变量表相同的是,操作数栈的深度在编译期也已经确定好了,运行时不能修改操作数栈的深度 方法的Code属性的Max_stack属性
4. 同样的32bit的类型占用一个栈单位,64位占用两个栈单位
5. 操作数栈是栈,只能由入栈/出栈操作,因此,即使操作数栈本质上是一个数组,但是依然不能使用索引来访问操作数栈中的数据
6. 如果当前被调用的方法带有返回值时,返回值会被压入当前栈帧的操作数栈,并更新pc寄存器的下一条指令
7. 操作数栈的元素的数据类型必须与字节码指令的序列严格匹配,这个由编译器在编译期进行验证,并且在类加载阶段的linking/检验阶段再次验证
8. jvm的执行引擎是基于栈的 此处的栈就是操作数栈

2.3.2.3 动态链接(Dynamic Linking)

1. 每个栈帧内部都包含一个指向运行时常量池中当前的方法的引用,包含整个引用的目的就是为了实现动态链接
2. 在java源代码编译成字节码的时候,所有的变量和方法引用都会作为符号引用保存在class的常量池中,动态链接的作用就是将这些符号引用转换为对方法的直接引用

2.3.2.3.1 方法的调用

jvm中方法由符号引用转为直接引用与方法的绑定机制有关

1. 动态链接 编译期无法确定的,只能在运行期才能将方法的符号引用转为直接引用,这样情况叫做动态链接
2. 静态链接 当一个字节码文件被装入jvm的时候,被调用的方法编译期可知,并且在运行期一直保持不变,这样情况下将方法的符号引用转换为直接引用的过程叫做静态链接

方法的绑定机制:

绑定指的是方法/属性由符号引用转为直接引用的过程,不管什么时期的绑定都只会发生一次

1. 晚期绑定 与动态链接对应
2. 早期绑定 与静态链接对应

虚方法与非虚方法:

1. 虚方法就是动态链接/晚期绑定 非虚方法就是静态链接/早期绑定
2. 静态方法,final方法,私有方法,构造器方法,父类方法因为在编译期就能确定具体的调用版本,所以被称为非虚方法,其他方法称为虚方法

方法调用的字节码指令:

1. invokeStatic: 调用静态方法
2. invokeSpecial: 调用所有方法,私有方法,父类方法,即(除final方法外)的非虚方法
3. invokevirtual: 调用所有虚方法 (还包括final方法)
4. invokeInterface: 调用所有接口方法
5. invokeDynamic: 动态调用  jdk7新增指令

1. 主要为了支持动态语言特性(java语言还是一种静态语言)
2. 例如 lambda 表达式就是动态调用的,jdk8才有了直接生成动态调用指令的方式

虚方法的调用过程:

虚方法大多数情况都是因为方法的重写,方法重写的本质从方法调用的角度来看:

1. 操作数栈栈顶的第一个元素执行对象的类型,记作C
2. 调用C的方法时,通过查询常量池中是否有类型符合,简单名称符合的方法,如果有进行权限校验,校验通过则返回此方法的引用
3. 如果不符合,则按照继承关系查找C的父类,以此进行方法判断,如果符合,就返回方法的引用,否则一直执行
4. 如果直到最后一个父类也没有合适/符合的方法,抛出异常 AbstractMethodError

由于上述循环查询父类的方式影响性能,为了提高性能,所以在类的方法区建立了一个 虚方法表

虚方法表建立后,就可以根据虚方法表获取要调用方法的引用,不用再递归获取.

虚方法表中,如果重写过的方法,指向的就是子类重写的方法的本质,如果没有重写方法,方法就还是指向父类的方法

2.3.2.4 方法返回地址 Return Address

存放该方法(栈帧)的pc寄存器的值,也就是下一条执行指令

方法退出有两种方式: 1. 正常退出 2. 未处理异常退出

1. 正常退出的时候,一般会回到方法被调用的位置,会把pc寄存器中的值存放到方法返回地址中.
2. 异常退出的时候,一般通过异常表来确定方法返回地址,不会存放在栈桢中.
3. 正常退出与异常退出的区别在于,异常退出不会给上层调用返回任何信息.

2.3.2.5 一些附加信息

根据虚拟机可选,有些虚拟机存在,附件一些与程序调试相关的信息

2.3.3 栈顶缓存技术(Top Of Stack Cashing)

HotSpot JVM的设计者提出的 将栈顶元素全部缓存至物理cpu的寄存器中,减少对内存的读/写,加快执行效率