JVM学习- - -虚拟机栈详解

Java虚拟机栈是什么

Java虚拟机栈Java Virtual Machine Stack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颞部保存一个一个的栈帧stack Frame,对应着一次次的Java方法调用。
生命周期

生命周期和线程一致
作用

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。

实例

<span style="background-color:#f8f8f8"><span style="color:#333333"><span style="color:#770088">public</span> <span style="color:#008855">void</span> <span style="color:#0000ff">methodA</span>() {
  <span style="color:#008855">int</span> <span style="color:#000000">i</span> <span style="color:#981a1a">=</span> <span style="color:#116644">10</span>;
  <span style="color:#008855">int</span> <span style="color:#000000">j</span> <span style="color:#981a1a">=</span> <span style="color:#116644">20</span>;
}

<span style="color:#770088">public</span> <span style="color:#008855">void</span> <span style="color:#0000ff">methodB</span>() {
  <span style="color:#008855">int</span> <span style="color:#000000">k</span> <span style="color:#981a1a">=</span> <span style="color:#116644">30</span>;
  <span style="color:#008855">int</span> <span style="color:#000000">m</span> <span style="color:#981a1a">=</span> <span style="color:#116644">40</span>;
}</span></span>

一个栈帧对应一个方法

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
对于栈来说不存在垃圾回收问题

面试题开发中遇到的异常有哪些

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
- 如果采用固定大小的Java虚拟机栈那每个线程的Java虚拟机栈容量可以在线程创建的时候独立选定。如果线程请求分配的栈容量超过Java虚拟机栈允许的最大容量Java虚拟机将会抛出StackOverflowError异常。
- 如果Java虚拟机栈可以动态拓展并且在尝试拓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区创建对应的虚拟机栈那Java虚拟机栈将会抛出一个OutOfMemoryError异常。

设置栈内存大小

我们可以使用参数-Xss 选项来设置线程的最大栈空间栈的大小直接决定了函数调用的最大可达深度。

代码测试

<span style="background-color:#f8f8f8"><span style="color:#333333"><span style="color:#aa5500">// 默认情况下打印 9810</span>
<span style="color:#aa5500">// 设置 -Xss256k</span>
<span style="color:#aa5500">// 打印 2239</span>
<span style="color:#770088">static</span> <span style="color:#008855">int</span> <span style="color:#000000">count</span> <span style="color:#981a1a">=</span> <span style="color:#116644">1</span>;
<span style="color:#770088">public</span> <span style="color:#770088">static</span> <span style="color:#008855">void</span> <span style="color:#0000ff">main</span>(<span style="color:#008855">String</span>[] <span style="color:#000000">args</span>) {
  <span style="color:#000000">System</span>.<span style="color:#000000">out</span>.<span style="color:#000000">println</span>(<span style="color:#000000">count</span><span style="color:#981a1a">++</span>);
  <span style="color:#000000">main</span>(<span style="color:#000000">args</span>);
}</span></span>

2 栈的存储单位

栈中存储什么

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。
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这方法执行过程中的各种数据信息。

栈运行原理

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的栈帧。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(current Frame),与当前栈帧相对应的方法就是当前方法(Current Method)定义这个方法的类就是当前类(Current Class)
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。

不同的线程中所包含的栈帧是不允许存在相互引用的即不可能在一个栈帧之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回传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战争。
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 Table)
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

3 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名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
局部变量所需的容量大小是在编译器确定下来的,并保存在方法的code属性和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。对于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嵌套调用次数就会减少。
局部变量表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

参数值的存放总是存放在局部变量数组的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单元是Slot变量槽
局部变量表中存放编译期可知的各种基本数据类型(8种)引用类型(reference),returnAddress类型。
在局部变量表里32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占据两个Slot.

JVM会为局部变量表中的每个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赋值到局部变量表的每一个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)
如果的那个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的重复利用

栈帧的局部变量表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。

举例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认为的初始化否则无法使用。

<span style="background-color:#f8f8f8"><span style="color:#333333"><span style="color:#770088">public</span> <span style="color:#008855">void</span> <span style="color:#0000ff">test</span>() {
    <span style="color:#008855">int</span> <span style="color:#000000">i</span>;
    <span style="color:#000000">System</span>.<span style="color:#000000">out</span>.<span style="color:#000000">println</span>(<span style="color:#000000">i</span>)
}</span></span>

这样的代码是错误的没有赋值不能够使用。

补充说明

在栈帧中与性能调优关系最为密切的腹部就是前面提到的局部变量表。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中直接或间接引用的对象都不会被回收

4 操作数栈Operand Stack)

每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。
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(pusj)/出栈(pop)。
- 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

理论

操作数栈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是空的。
每个操作数栈都会用一个明确的栈深度用于存储数字其所需的最大深度在编译器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。
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器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。
另外我们说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。

5 代码追踪

<span style="background-color:#f8f8f8"><span style="color:#333333"><span style="color:#770088">public</span> <span style="color:#008855">void</span> <span style="color:#0000ff">testAddOperation</span>() {
  <span style="color:#008855">byte</span> <span style="color:#000000">i</span> <span style="color:#981a1a">=</span> <span style="color:#116644">15</span>;
  <span style="color:#008855">int</span> <span style="color:#000000">j</span> <span style="color:#981a1a">=</span> <span style="color:#116644">8</span>;
  <span style="color:#008855">int</span> <span style="color:#000000">k</span> <span style="color:#981a1a">=</span> <span style="color:#000000">i</span> <span style="color:#981a1a">+</span> <span style="color:#000000">j</span>;
}</span></span>

使用javap命令反编译class文件javap -v 类名.class

<span style="background-color:#f8f8f8"><span style="color:#333333"> 0 bipush 15
 2 istore_1
 3 bipush 8
 5 istore_2
 6 iload_1
 7 iload_2
 8 iadd
 9 istore_3
10 return</span></span>

代码转成字节码

<span style="background-color:#f8f8f8"><span style="color:#333333">int m = 8; -> bipush
int m = 800; -> sipush</span></span>

常见i++和++i的区别

6 栈定缓存 Top-of-Stack Cashing)技术

<span style="background-color:#f8f8f8"><span style="color:#333333">前面提过基于栈式架构的虚拟机所使用的零地址指令更增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命令这同事也就意味着需要更多的指令分派(instaruction dispatch)次数和内存读/写次数。</span></span>

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。

7 动态链接Dynamic Linking

动态链接或指向运行时常量池的方法引用)

每一个栈帧内存都包含一个执行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(Dynamiv 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汇总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
字节码常量池会在运行时被拷贝到常量池

问题为什么要有常量池

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。

8 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内存时如果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。

早期绑定 & 晚期绑定

对应方法的绑定机制为早起绑定Early Binding和晚期绑定(Late Binding)。绑定的是一个字段、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器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时间的类型绑定相关方法,这种绑定方式也就被称之为晚期绑定

虚方法和非虚方法

随着高级语言的横空出世类似与Java一样的基于面向对象的编程语言如今越来越多尽管这类编程语言在语法风格上存在一定的差别但是它们彼此之间始终保持着一个共性那就是都支持封装、继承和多态等面向对象特性既然<font color='red'>这一类的编程语言具备多态特性那么自然也就具备早期绑定和晚期绑定两种方式。

Java中任何一个普通的方法其实都具备虚函数的特征它们相当于C++语言中的虚函数(C++ 中需要使用关键字virtual来显式定义)。如果在Java程序中不希望某个方法拥有虚函数的特征时则可以使用关键字final来标记这个方法。

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

多态的使用前提

类的继承关系
方法的重写

虚拟机中提供了一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<init>方法、私有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

前四条指令固话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指令和invokespecial指令调用的方法称为非虚方法其中的final修饰的除外)称为虚方法。

方法的调用关于invokedynamic指令

JVM字节码指令集一直比较稳定一直到Java7中才增加了一个invokedynamic指令这是Java为了实现【动态类型语言】支持而做的一种改进
但是在Java7中并没有提供直接生成invokedynamic指令的方法需要借助ASM这种字节码工具来产生invokedynamic指令。直到Java8的Lambda表达式的出现invokedynamic指令的生成在Java中才有了直接的生成方式。
Java7中增加的动态语言类型支持的本质是对Java虚拟机规范的修改而不是对Java语言规则的修改这一块相对来讲比较复杂增加了虚拟机的方法调用最直接的受益者就是运行在Java平台的动态语言的编译器。

动态类型语言和静态类型语言

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就是动态类型语言。

说的直白一点就是静态类型语言是判断自身的类型信息动态类型语言是判断变量的类型信息变量没有类型信息变量值才有类型信息这是动态语言的一个重要特征。

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。
如果在类型C中找到与常量中的描述复核简单名称都相符的方法则记性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接结束如果不通过则返回java.lang.IllegalAccessError异常。
否则按照集成关系从下往上依次对C的各个父类进行第2步的搜索和验证过程。
如果始终没有找到合适的方法则抛出java.lang.AbstractMethodError异常。

IllegalAccessError介绍

程序视图访问或修改一个属性或调用一个方法这属性或方法你没有权限访问。一般的这个会引起编译异常。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。

方法的调用虚方法表

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。
每个表中都有一个虚方法表表中存放着各个方法的实际入口。
那么虚方法表什么时候被创建

虚方法表会在表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JVM会把该类的方法表也初始化完毕。

举例1

在调用Son的toString()方法的时候如Son类和Father类都没有重新会直接调用Object类的toString方法。

举例2

对于CockerSpaniel的虚方法表来说sayHello、sayGoodbye是调用自身toString方法是调用Dog类其他调用Object类

9 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法
- 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。
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层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

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)、ireturn、fretuen、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。
在方法执行的过程中遇到了异常(Exception),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

方法执行过程中抛出异常时的异常处理存储在一个异常处理表方便在发生异常的时候找到处理异常的代码。

异常表

<span style="background-color:#f8f8f8"><span style="color:#333333">  Exception table:
     from    to  target type
         0     6     9   Class java/lang/Exception</span></span>

如果从0~6的字节码位置发生Exception异常由字节码位置9处理