Java虚拟机栈—栈帧

本文详细介绍了Java虚拟机栈帧的结构和功能,包括局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址以及栈帧的附加信息。局部变量表是线程私有的,用于存储方法参数和局部变量,其容量在编译期确定。操作数栈用于保存计算过程的中间结果,动态链接支持多态特性,方法返回地址决定了方法退出后如何返回调用者。此外,还讨论了栈帧的优化、异常处理和方法调用机制。

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每个栈帧中存储着

1.局部变量表(Local Variables)

2.操作数栈(Operand Stack)(或表达式栈)

3.动态链接(Dynamic Linking)(或执行"运行时常量池"的方法引用)----深入理解Java多态特性必读!!

4.方法返回地址(Return Adress)(或方法正常退出或者异常退出的定义)

5.一些附加信息

其中部分参考书目上,称方法返回地址、动态链接、附加信息为帧数据区

局部变量表(Local Variables)

1.局部变量表也被称之为局部变量数组或本地变量表

2.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returnAddressleixing

3.由于局部变量表是建立在线程的栈上,是线程私有的数据,因此不存在数据安全问题

4.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

5.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,他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。

6.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。

查看帧的局部变量表

利用javap命令对字节码文件进行解析查看main()方法对应栈帧的局部变量表,如图:

 也可以在IDEA 上安装jclasslib byte viewcoder插件查看方法内部字节码信息剖析,以main()方法为例

变量槽slot的理解与演示

1.参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

2.局部变量表,最基本的存储单元是Slot(变量槽)

3.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。

4.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(long和double)占用两个slot。

byte、short、char、float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。

5.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

6.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声明顺序被复制到局部变量表中的每一个slot上

7.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或者double类型变量)

8.如果当前帧是由构造方法或者实例方法创建的(意思是当前帧所对应的方法是构造器方法或者是普通的实例方法),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排列。

9.静态方法中不能引用this,是因为静态方法所对应的栈帧当中的局部变量表中不存在this

示例代码:

public class LocalVariablesTest {

    private int count = 1;
    //静态方法不能使用this
    public static void testStatic(){
        //编译错误,因为this变量不存在与当前方法的局部变量表中!ÿ
### Java虚拟机的作用及工作原理 #### 1. Java虚拟机的作用 Java虚拟机Java Virtual Machine Stack)是Java虚拟机中的重要组成部分之一,主要负责管理Java程序的运行过程。它的核心职责包括以下几个方面[^1]: - **保存方法的局部变量**:这些变量可以是基本数据类型的值或者是对象的引用地址。 - **保存部分计算结果**:在方法执行过程中产生的中间结果会被临时存储在中。 - **支持方法调用和返回**:每当一个方法被调用时,会为其创建一个新的并将其压入当前线程的虚拟机;当方法执行完毕后,该会被弹出。 #### 2. 工作原理 Java虚拟机通过一系列来完成上述功能。以下是其具体工作机制: ##### (1)结构 每个由三部分组成[^2]: - **局部变量表**:用于存储方法参数以及方法内部定义的局部变量。对于实例方法而言,第一个槽位通常用来存储`this`指针。 - **操作数**:作为运算的核心区域,所有的字节码指令最终都会依赖于此来进行实际的数据处理。 - **其他信息**:如动态链接、方法出口等辅助信息。 ##### (2)的操作机制 - 当某个线程启动时,相应的虚拟机也会随之建立起来,并且在整个线程生命期内一直存在。 - 方法调用发生时,会在当前线程的虚拟机上新增加一个;反之,当方法执行完成后,则移除这个。 ##### (3)异常情况 由于资源有限,在某些特殊情况下可能会引发如下两种常见错误[^3]: - `StackOverflowError`: 这通常是由于单个线程内的递归层次过深或者其他原因导致所需空间超出预设上限所引起。 - `OutOfMemoryError`: 若允许动态扩展但又无法获取更多可用内存时会出现这种情况; 或者是在新建线程却无足够内存分配给相应的新时同样会发生此类问题。 ```python def factorial(n): if n == 0: return 1 else: return n * factorial(n - 1) try: result = factorial(9999) # 可能触发StackOverflowError except Exception as e: print(f"An error occurred: {e}") ``` 此代码片段展示了如何可能因过度递归而导致溢出的情况。
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