深入解析JVM之虚拟机栈(面试必备)

深入解析JVM之虚拟机栈(面试必备)

一.虚拟机栈概念
1.概念

Java虚拟机栈是什么?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(stack frame) ,对应着一次次的Java方法调用。其中栈的特点如下：

1. 栈是一种快速有效的分配存储方式,访问速度仪次于程序计数器

2. JVM直接对Java栈的 *** 作只有两个：每个方法执行伴随着进栈(入栈、压栈) 和 执行结束后的出栈工作

3）对于栈来说不存在垃圾回收问题GC，但存在内存溢出问题OOM（程序猿易搞错）

2.栈的存储结构和运行原理

1) 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,维系着方法执行过程中的各种数据信息。

2) 栈的运行原理

a. JVM直接对Java栈的 *** 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。

b. 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(currentMethod) ,定义这个方法的类就是当前类(current Class)。不同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。

c. 执行引擎运行的所有字节码指令只针对当前栈帧进行 *** 作。

d. 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.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。

e. 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;另外一种是方法执行中出现未捕获处理的异常，以抛出异常的方式结束。不管使用哪种方式,都会导致栈帧被d出。

3)栈帧的内部结构

每个栈帧中存储着：

a. 局部变量表（Local Variables）
b. *** 作数栈（Operand Stack）（或表达式栈）
c. 动态链接（Dynamic linking）（或指向运行时常量池的方法引用）
d. 方法返回地址（Return Address）（或方法正常退出或者异常退出的定义）
e. 一些附加信息

二.局部变量表
1.概念

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。

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,导致其嵌套调用次数就会减少。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。

可以通过idea安装 jclasslib 插件进行相关信息查看如下所示：

2.变量槽Slot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(1ong和double)占用两个slot。也就是一个一个Slot占用四个字节大小。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，float以float存放；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时，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。如果当前栈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。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)

Slot重复利用：栈帧中的局部变量表中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。

**静态变量与局部变量对比：**参数表分配完毕后，会根据方法体内定义的变量顺序和作用域进行分配。类变量在系统初始化时有两次：1.prepare阶段默认赋值；2.initial阶段显示赋值。局部变量不存在系统初始化，一旦定义必须显示初始化，否则无法使用。

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。

三. *** 作数栈

每一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 *** 作数栈,也可以称之为表达式栈(expression stack)。 *** 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(push)/出栈(pop)。某些字节码指令将值压入 *** 作数栈,其余的字节码指令将 *** 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 *** 作。

*** 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。 *** 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 *** 作数栈是空的。每一个 *** 作数栈都会拥有一个明确的栈深度用于存储数值,其所需的最大深度在编译期就定义好了,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。 *** 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） *** 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 *** 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。 *** 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,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 *** 作数栈。


栈顶缓存技术：由于 *** 作数是存储在内存中的,因此频繁地执行内存读/写 *** 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。

四.动态链接
1.概念
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，目的是: 当前方法中如果需要调用其他方法的时候, 能够从运行时常量池中找到对应的符号引用, 然后将符号引用转换为直接引用,然后就能直接调用对应方法, 这就是动态链接。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(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。

不是所有方法调用都需要动态链接的, 有一部分符号引用会在 类加载解析阶段, 将符号引用转换为直接引用, 这部分 *** 作称之为: 静态解析。就是编译期间就能确定调用的版本, 包括: 调用静态方法, 调用实例的私有构造器, 私有方法, 父类方法。

当编译Java程序的时候，会得到程序中每一个类或者接口的独立的class文件。虽然独立看上去毫无关联，但是他们之间通过接口(harbor)符号互相联系，或者与Java API的class文件相联系。当运行程序的时候，Java虚拟机装载程序的类和接口，并且在动态连接的过程中把它们互相勾连起来。在程序运行中，Java虚拟机内部组织了一张互相连接的类和接口的网。class把他们所有的引用符号放在一个地方——常量池。每一个class文件有一个常量池，每一个被Java虚拟机装载的类或者接口都有一份内部版本常量池，被称作运行时常量池。运行时常量池是特定与实现的数据结构，数据结构映射到class文件中的常量池。因此，当一个类型被首次装载的时候，所有来自于类型的符号引用都装载到了类型的运行时常量池。

在程序运行的过程中，如果某个特定的符号引用将要被使用，它首先要被解析。解析过程就是首先根据符号引用查找到实体，再把符号引用替换成直接引用的过程。因为所有的符号引用都是保存在常量池中，所以这种解析叫做常量池解析。

五.方法返回地址

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：正常执行完成和出现未处理的异常,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、 *** 作数栈、将返回值压入调用者栈帧的 *** 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。

六、虚拟机栈的几道面试题

1. 举例栈溢出的情况? (StackOverflowError)通过-Xss设置栈的大小; OOM。如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，会抛出StackOverFlowError异常。如果虚拟机栈扩展是无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemioryError异常。

2. 调整栈大小,就能保证不出现溢出吗?不能

3. 分配的栈内存越大越好吗?不是!

4. 垃圾回收是否会涉及到虚拟机栈?不会的!

5. 方法中定义的局部变量是否线程安全?具体问题具体分析（如果只有一个线程才可以 *** 作此数据，则必是线程安全的。如果有多个线程 *** 作此数据，则此数据是共享数据。如果不考虑同步机制的话，会存在线程安全问题。）

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