JVM虚拟机栈 多合一总述

Posted 2021-03-03 timeouting-study

虚拟机栈概述

　　虚拟机栈出现背景：

　　　　由于跨平台性的设计，Java的指令都是根据栈来设计的。不同CPU架构不同，所以不能设计为基于寄存器的

　　　　跨平台的优点：指令集小，编译器容易实现，缺点是性能下降，实现同样的功能需要更多指令。

　　　　栈是运行时的单位，而堆是存储的单位

　　　　　　栈解决程序的运行问题，即程序如何运行，或者说是如何处理数据，堆解决的是数据存储的问题，即数据怎么放，放在哪

　　　　局部变量等一些少数的引用地址也是可以放在栈中的

　　Java虚拟机栈是什么：

　　　　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，其内部保存一个个的栈帧（Stack Frame）栈帧和方法调用一一对应

　　　　是线程私有的

　　生命周期：

　　　　与线程一致

　　作用：

　　　　主管Java程序的运行，他保存方法的局部变量（8种基本数据类型、对象引用地址）、部分结果，并参与方法的调用和返回

　　　　　　变量的分类有以下两种分法

　　　　　　局部变量　　VS　　成员变量（又叫属性）

　　　　　　基本数据变量　　VS　　引用类型变量（类、数组、接口）

 

 　　栈的特点：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

　　　　　　　　　　1、每个方法执行伴随的进栈

　　　　　　　　　　2、执行结束后的出栈工作

　　　　　　　对于栈来说不存在垃圾回收问题　，但是存在OOM

　　栈可能出现的异常：

　　　　　　　　Java虚拟机规范允许Java栈的大小是动态的或者固定不变的。所以就对应了两种异常

　　　　　　　　1、采用固定大小的Java虚拟机栈，每一个线程的Java虚拟机容量可以在创建时独立选定。如果线程请求分配的栈容量超过Java虚拟机允许的做大容量，那么抛出StackOverFlowError异常

　　　　　　　　2、Java虚拟机栈可扩展，在尝试扩展的时候无法申请到足够的内存，则抛出OutOfMemoryError异常

 

　　设置栈的大小：-Xss

　　

 

 

 

栈的存储单位

　　栈中存什么？

 

　　　　线程里边都有栈，栈的数据都是以栈帧的格式存在

　　　　在这个线程正在执行的每个方法都各自对应一个栈帧

　　　　栈帧是一块内存区域，是一个数据集，维系着方法执行过程中的各种数据信息。

　　　　　　　　OOP基本概念：类、对象

　　　　　　　　类的基本结构：field（属性、域、字段）、method

　　栈运行原理：

　　　　JVM直接对栈的操作只有两个，即对栈帧的压栈PUSH和出栈POP，遵循LIFO

　　　　在一条活动线程中，一个时间点，只会有一个活动的栈帧，就是当前正在执行方法的栈帧，叫当前栈帧（Current Frame），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）。

　　　　执行引擎执行的字节码指令只针对当前栈帧进行操作

　　　　如果当前方法调用了其他方法，对应的新栈帧会被创建出来，放在栈顶，称为新的当前栈帧。

　　　　不同线程中包含的栈帧是不允许相互引用的，即不能存在一个栈帧调用另外一个线程的栈帧【阿里的JVM可以调用不通进程的资源】

　　　　如果当前方法调用了其他方法，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，使得前一个栈帧成为当前栈帧。

　　　　Java方法有两种函数返回的方式，一种正常返回，使用return指令；另一种是抛出异常，不算使用哪种方式，都会导致栈帧被弹出

栈帧的内部结构：

　　　　局部变量表（Local Variables）

　　　　操作数栈（Operand Stack）

　　　　动态链接（Dynamic Linking）

　　　　方法返回地址（Return Address）

　　　　一些附加信息

1.局部变量表

局部变量表：也被称作本地变量表或局部变量数组

　　　　　　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

　　　　这些数据类型包括基本数据类型，对象引用（reference），以及returnAddress类型

　　　　　　由于局部变量表是基于线程的栈上，是线程的私有数据，因此不存在数据安全问题

　　　　　　局部变量表所需容量的的大小是在编译期确定下来的，并保存在方法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的大小的

　　　　　　方法嵌套的次数由栈的大小确定，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自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。

字节码指令的行号和程序代码的行号对应表： 

　　　　　　　　

上边是LineNumberTable

　　　　　　　　 

 　　　　下边是LocalVariableTable(局部变量表) 起始位置（Start PC） 长度（Length） 索引（Index） 变量名（Name） 变量类型（就是Name后面的那个东东）

　　　　　　　　强调一下：Length+Start PC就是字节码指令的总长度【Code Length】，Length和Start PC反映的是变量的有效范围　　　　

　　　　　　　

 

 以上的图都是静态方法的，没有this

 

关于Solt的理解

　　solt是局部变量表的基本单元，也叫槽

　　参数值存放总是在局部数组的index0开始，到数组长度-1的索引结束。

　　局部变量表（数组）最基本的存储单元是Solt

　　局部变量表存放编译期可知的各种数据类型（8种），引用类型（reference），returnAddress类型的变量。

　　在局部变量表里，32位以内的类型之占一个slot（包括returnAddress类型），64位的类型（long(8个字节8*8=64位)和double（8Bytes*8=64位））占用两个solt。

　　　　?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内部定义的局部变量将会按照顺序被复制到局部变量表的每一个slot上【大概意思就是先声明谁，先分配】

　　如果需要访问局部变量表中一个64bit局部变量时，只需要使用起始索引

　　如果当前帧是由构造方法或者实例方法创建的（非静态方法，静态方法没有this），那么该对象引用的this会存放在index为0的slot处，其余参数按顺序继续排顺序　

 

 　　

　　Slot可以重复利用：

 

b变量出了括号就没了，所以c变量用了b回收的槽

 

 

　非静态方法实例：

 

 

 

 静态变量与局部变量的对比：https://www.cnblogs.com/Timeouting-Study/p/12502750.html

局部变量表补充说明：

　　　　在栈帧中，与性能调优关系最密切的就是前边提到的局部变量表。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，只要被局部变量表安中直接或间接引用的对象都不会被垃圾回收

 

2.操作数栈（Operand Stack）

　　　　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LIFO的操作数栈，也叫表达式栈

　　　　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PUSH和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。使用后把结果压入栈

　　　　　　比如：执行复制，交换，求和等操作

 

　　　　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的临时存储空间。

　　　　操作数栈就是JVM执行引擎的有一个工作区，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，这个方法的操作数栈是空的。

　　　　每一个操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

　　　　栈中任何一个元素都可以是任意Java数据类型

　　　　　　32bit占一个栈单位深度

　　　　　　64bit占一个栈单位深度

　　　　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PUSH和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当中，并更新PC寄存器中下一条需要执行的字节码指令

　　　　 一上来就aload_0，调用有返回值的方法 

 

 

　　　　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，这由编译器期间进行验证，同时在类加载

代码追踪

 

使用javap命令反编译class文件：javap - v 类名.class

 

 

 

            

 

 

   

 

 

   

 

 

    

 

 

    

 

 

 

  一个字节就能存，所以bipush ；800的话就是sipush；

还有一点：byte、short、char、boolen都是以int来保存。

 

 

栈顶缓存技术（Top-of-Stack-Cashing）

　　前面提过，基于栈式架构的虚拟机所使用的零地址地址更加紧凑，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，这同时也就意味着需要将更多的指令分派次数和内存读写次数

　　由于操作数是存储在内存中的，因此频繁的执行读/写操作必然会影响执行速度。为了解决这个问题，HotSpot JVM设计者提出栈顶缓存技术，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。

3.动态链接（Dynamic Linking【指向运行时常量池的方法引用】）

 

 

 

　　　　每一个栈帧内部都包含有一个指向运行时常量池 中该栈帧方法的引用。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）。例如invokednamic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。

 #开头的就是符号引用。

 

 

 

　　　　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调用

 

 

 

　　　　　　Q:为什么需要常量池？

　　　　　　A：字节码文件中需要很多数据的支持，但数据很大，不能直接保存到字节码文件中，所以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：解析与分派

　　　　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固定机制有关

　　　　　　静态链接：当一个字节码文件被装进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。这种情况下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：如果被调用的目标方法在编译期无法确定。这种情况下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。、

　　　　对应的方法绑定机制为：早期绑定和晚期绑定。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，这仅仅发生过一次

　　　　　　　　　　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：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　被调用方法在编译时不能被确定下来

 

虚函数和多态关联密切

 

 

 虚方法和非虚方法

　　　　非虚方法：

　　　　　　　　如果方法在编译器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

　　　　其他方法就是虚方法

　　　　　　　　（子类对象的多态性的前提）：1.类的继承关系       2.方法可重写

　　　　虚拟机中的方法调用指令

　　　　　　普通调用指令：

　　　　　　　　　　1. invokestatic: 调用静态方法，解析阶段确定唯-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：

　　　　　　　　5.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。

57P视频有实例。

 　　　　

　　　　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，这是Java为了实现【动态类型语言】支持而做的一种改进。

　　　　但是Java7中并没有提供直接生成invokedynamic指令的方法，需要借助ASM这种底层字节码工具来产生invokedynamic指令。直到Java8Lambda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，这一块相对来说比较复杂，增加了虚拟机中的方法调用，最直接的受益者就是运行在Java平台的动态语言编译器。

　　　　动态类型语言和静态类型语言

　　　　　　对类型的检查是在编译器还是运行期；再直白一点，静态类型语言声明变量要有明确的类型，如Java中String sss =“666”’，这就是静态，JS：var fd = ‘666’，var=10；动态。静态语言判断变量的了类型信息，动态语言判断的是变量值的类型信息。

补张图吧：

　　

 

Java语言中方法重写的本质：

　　　　1.找到操作数栈顶的第- -个元素所执行的对象的实际类型，记作C。

　　　　2.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。

　　　　3.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步的搜索和验证过程。

　　　　4.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，会很频繁使用到动态分配，如果在每次动态分配的过程中都要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来实现。使用索引表代替查找

 　　　　每个类都有一个虚方法表，存放着各个方法的实际入口。

　　　　虚方法表什么时候被创建？

　　　　　　虚方法表会在类加载的链接阶段被创建并开始初始化，类的碧昂量初始值准备完成后，JVM会把该类的方法表也初始化完成。

 

 虚方法表的指向：son类的wait()直接指向Object，hardChoice指向Son自己。。。

 

 

 

dog虚方法表　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

 

 

 

cat虚方法表

 

 

 

可卡犬虚方法表：

 

 

 

4.方法返回地址（Return Address）

　　　　存放调用方法的PC寄存器的值【保存了PC寄存器的值，当正常结束后，把这个值给到执行引擎，使线程继续工作】

　　　　一个方法的结束有两种方式：

　　　　　　正常执行结束

　　　　　　出现未处理的异常，非正常退出

　　　　无论哪种方式退出，此方法在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，即调用指令下一条指令的地址。而异常退出时，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。此时，需要恢复上层方法的局部变量、操作数栈、设置PC寄存器值等，让调用者方法继续执行下去。

　　　　　　正常完成的出口和异常完成的出口区别在于：通过异常完成出口退出的不会给它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：

　　　　　　　　1、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

 

                          

 

 

 

 

　　　　　　　　2、在方法中遇到异常（Expection），并且这个异常没有在方法内进行处理，也就是只要在本地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

　　　　　　　

　　　　　方法在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处理异常时找到处理的对应代码

　　　　　　　　

 

 

一些附加信息

　　　　栈帧中还允许携带与Java虚拟机实现相关的一些附加信息。例如，对程序调试提供支持的信息。

 

 

栈相关面试题

　　　　举例栈溢出的情况？（Stack Overflow）：固定大小栈的栈帧爆掉

　　　　　　通过-Xss设置栈的大小：OOM  ，可变大小栈扩容时，没有更多的内存可供扩容

 

　　　　调整栈大小，就能保证不溢出吗？

　　　　　　不能，如果自己调用自己（递归）的话，栈空间大可以多跑，在一定程度上可以抱保证递归类问题递的更深，死循环还是会溢出。

 

　　　　分配的栈内存越大越好吗？

　　　　　　 不是，栈的内存大了，但是总共的内存是固定的，不能一概而论好坏

 

　　　　垃圾回收是否涉及到虚拟机栈？

　　　　　　不会，GC只设涉及【方法区】和【堆空间】

 

　　　　方法中定义的局部变量是否线程安全？

　　　　　　具体问题，具体分析。