1.虚拟机栈

1.1概述

作用：主管java程序的执行，存储的是栈帧(稍后介绍)，栈帧主要存储局部变量，部分结果，以及方法的调用和返回
特点：

• 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对虚拟机栈的操作只有两个，伴随着方法的执行入栈、结束出栈
• 不存在垃圾回收问题

栈中可能会出现的问题
根据java虚拟机规范，虚拟机栈的大小是动态或者固定不变的

1. 如果采用固定的栈，每个线程的虚拟机栈可以在线程创建的时候独立完成，如果线程请求分配的栈容量超过了虚拟机栈允许的最大容量，会抛出StackOverflowError(堆栈溢出)
2. 如果采用动态的栈，在尝试扩展的时候无法申请足够的内存，或者在创建新线程时没有足够的内存创建对应的虚拟机栈，就会抛出OutOfMemoryError(内存溢出)

1.2栈帧的存储单位

• 每个线程都有自己的栈，栈中的数据都以**栈帧(Stack Frame)**的形式存在
• 在当前线程上正在执行的方法都有各自对应的栈帧
• 栈帧是一块内存区域、数据集，维护着方法执行过程中的各种数据信息

1.3栈运行原理

1. jvm对栈的操作只有两个，压栈\出栈，遵循”FILO“原则
2. 一个正在运行的线程，只会有一个运行的栈帧，就是当前方法执行的当前栈帧，也叫栈顶栈帧，与当前栈帧对应的就是当前方法，与当前方法对应的就是当前类
3. 执行引擎运行的所以字节码文件只对当前栈帧进行操作
4. 不同线程的栈帧是不允许相互引用的，所以不可能在一个栈帧中引用另一个线程的栈帧
5. 如果方法中调用了其他方法，对应的栈帧也会创建出来，成为新的当前栈帧，放在栈顶
6. 如果方法中调用了其他方法，方法返回的时候，当前栈帧会返回一个执行结果给前一个栈帧，随后虚拟机会丢弃当前栈帧，让前一个栈帧成为当前栈帧
7. java中有两种方法返回方式：1，return。2，抛异常。两种方式都会导致栈帧被弹出
8. idea在执行debug的时候，可以在Frames窗口各个栈帧的压栈、出栈

1.4栈帧的内部结构

1. 局部变量表
2. 操作数栈
3. 动态链接
4. 方法返回地址
5. 其他附加信息
   

1.4.1局部变量表

主要用于存储方法参数和方法体中的局部变量
可以存储的类型有：

1. java基本数据类型
2. 对象引用(可能是指向对象地址的引用指针，或是指向代表对象的句柄或相关地址)
3. returnAddress类型(指向方法返回的字节码指令，已被异常表取代)

由于局部变量表是存在线程的栈上的，是线程私有的数据，所以不存在数据安全问题
局部变量表的容量大小在编译期就确定下来的，并保存在方法的Code属性的maxmum local variables数据项中，运行期是不会改变表的大小的
方法嵌套调用的次数由栈的大小决定，一般情况下，栈越大，方法嵌套调用越多。

1.4.1.1槽 slot

• 局部变量表的基本单位是slot(变量槽)
• 在局部变量表中，32位的数据类型占用一个slot，64位则占用两个slot

注：
byte，short，char，boolean(0表示false，1表示true)在存储之前会转为int
long和double占两个slot

• jvm会为局部变量表中的每个slot分配一个索引，通过索引访问对应的slot
• 如果需要访问一个64位的局部变量时，只需要前一个索引即可。如(long类型的变量占用了a1，a2两个slot，此时需要访问a1即可访问到该变量)
• 如果当前栈帧是由构造方法或实例方法创建的，那么this将会存放在index为0的slot中(此处引出一个问题：静态方法为什么不能引用this？就是因为this变量不存在当前方法的局部变量表中)
• 在栈帧中，与性能调优关系最为密切的就是局部变量表。在方法执行时，虚拟机会使用局部变量表来完成方法的传递
• 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
• slot是可以重用的
  
  上图：局部变更表中有四个变量
  注：至于这里为什么this没有在第一个位置，是因为在执行构造方法之前会先执行非静态代码块
  
  上图：但是局部变量最大槽数只有3，因为代码块中变量b使用完就销毁了，但是b的slot还存在，所以就被变量c重用了
  拓展:图片中的方法为构造方法，在字节码文件中构造方法叫init，静态代码块叫clinit，而非静态代码块就没别的名字，因为它里面的局部变量会被存在init方法对于栈帧中

1.4.2操作数栈(LIFO)

• 在方法执行过程中，根据字节码指令，对操作数栈写入(入栈push)和提取(出栈pop)数据。
• 某些字节码指令将值写入操作数栈，某些指令将值取出栈，再进行相关操作，比如加减乘除。结果值也会放入操作数栈。

概述：

1. 操作数栈，主要用于保存计算过程的中间结果，同时作为变量计算后的临时的存储空间
2. 操作数栈是jvm执行引擎的一个工作区，当一个方法执行时，新的栈帧出现，此时这个操作数栈是空的
3. 操作数栈都会有一个明确的大小来用于存储数值，所需要的最大容量再编译器就定义好了，在方法的Code属性的max_stack中
4. 栈中的元素可以是java中的任意数据类型，与slot一样(32位占一个单位，64占两个单位)
5. 如果被调用的方法有返回值，那返回值会被压到当前栈帧的操作数栈中，并通知程序计数器下一条需要执行的字节码指令
6. jvm的解释引擎是基于栈的执行引擎，栈指的是操作数栈

1.4.3动态链接(指向常量池的方法引用)

静态绑定：当一个字节码文件被加载到虚拟机时，如果其调用的方法在编译器可知，并且在运行期保持不变
动态绑定：相反，如果在编译器不能确定下来，只能在运行期将符号引用转为直接引用

• 每个栈帧中都包含一个指向常量池中该栈帧所属方法的引用，目的就是为了实现动态链接
• 在java文件被编译成字节码文件时，所以变量和方法引用都会作为符号引用保存在Class文件的常量池中
• 比如：描述一个方法调用其他方法时，就是通过常量池中指向方法的符号引用来表示，动态链接的作用就是将这些符号引用转换为调用该方法的直接引用
  

1.4.3.1jvm时如何调用方法的

1. 方法调用阶段的唯一任务就是找到需要调用发方法，暂时还不涉及内部运行过程
2. 方法在Class文件中存储的是符号引用，而不是在运行时的直接引用，也就是需要在类加载阶段，甚至是运行期才能确定方法的直接引用

1.4.3.1.1在jvm中方法的符号引用转化为直接引用跟绑定机制有关
绑定机制有早期绑定(静态绑定)、晚期绑定(动态绑定)，绑定是一个字，方法或类的符号引用转为直接引用的过程，只会发生一次

1.4.3.1.2虚方法和非虚方法

1. 在编译期可以确定下来，在运行期不变，称为非虚方法。比如，静态方法、final方法、私有方法、父类方法，构造方法都是非虚方法
2. 其他方法叫虚方法

1.4.3.1.3虚方法表

• 为了提高性能，jvm在类的方法区建立了一个虚方法表，用于存放虚方法。因为在面向对象编程中，会频繁设计动态分配，每次动态分配都在类的方法元数据中查找合适的目标。
• 每个类都会有一个虚方法表，存放着各个方法的实际入口
• 虚方法表会在类加载的连接(验证、准备、解析)阶段开始初始化，类的变量初始值准备完成之后，虚方法表也初始化完毕

1.4.4f方法返回地址

• 用来存放调用该方法的程序计数器值

• 方法的两种返回方式，不管是那种，在方法推出后都会返回到调用该方法的位置

   1.正常返回时：调用者的程序计数器的值作为返回地址，就是调用该方法的指令的下一条指令地址	
   2.异常返回时：通过异常表来确定的，栈帧中一般不会保存这部分信息
  

• 实际上，方法的退出就是当前栈帧出战的过程，此时需要回到上一个方法，让方法执行下去

• 正常返回与异常返回的区别在于：异常返回不会给上层调用者任何的返回信息

1.4.5附带信息

栈帧中还可以携带一些jvm相关信息。比如，对程序调试支持的信息，但是这些信息取决于虚拟机的实现