JVM运行时数据区揭秘-优快云博客

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深入探讨JVM运行时数据区的结构与作用，包括程序计数器、虚拟机栈的功能及其在多线程环境下的重要性。通过具体代码示例，解析栈帧的工作原理及如何处理方法调用。

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JVM运行时数据区是什么？是干什么的？如果你有兴趣了解，请看本章内容。

下面这张图给我们展示出了JVM运行时数据区的结构，我把它分为两个部分：数据+指令，我们先来看看各个子模块的作用

程序计数器：指向当前线程正在执行的字节码指令的地址(行号)。它是线程私有的，独享的（为什么？）

那么为什么要有程序计数器？

原因：因为java的最小执行单位是线程，而线程执行指令最终还是要落在操作系统层面，操作系统层面即要在CPU上运行。在CPU上运行指令有一个不得不考虑的不稳定的因素-调度策略。

调度策略是基于时间片的，所谓调度策略，举个例子说明：我开启了一个线程，占用了CPU的资源在看电影，突然有人要和我开视频聊天，那么我开启了视频，即开启了另外一个线程，此时看电影这个线程被挂起。当聊天结束后，我又接着看我的电影，那么此时就要有一个能记录之前看电影这个线程的执行地址（行号），这样我才能接着之前继续看。这个可以帮助线程记录执行位置的东东就是程序计数器。（线程不具备记忆功能，不能记住自己的执行位置，因此“记忆”这个工作就得程序计数器去做）。

现在你也就能明白为什么它是线程私有的，独享的了吧。每个线程都有一个自己的程序计数器，用于记录本线程的执行地址。

虚拟机栈：存储当前线程运行方法时所需要的数据、指令、返回地址。

线程是一个执行者，它只负责做，不负责存储，因此线程在运行方法时所需要的数据、指令、返回地址就必须被存储起来，而存储这些数据的就是虚拟机栈。

虚拟机栈的结构：

虚拟机栈是一个栈，因此是后进先出的，即FILO。图中黄色部分表示的是一个虚拟机栈，绿色部分是一个栈帧，mehodOne()是一个方法，这里所表示的意思是一个方法就是一个栈帧。java程序中每一个方法都会在虚拟机栈中开辟一个栈帧，栈帧包括局部变量表、操作数栈、动态链接、出口,等等。下面以一个java方法来具体说明虚拟机栈的运行原理。

java代码：

public class JVMDemo {

	private Object obj = new Object();
	
	//局部变量
	public void methodOne(int i) {
		
		int j = 0;
		int sum = i + j;
		Object abc = obj;
		long start = System.currentTimeMillis();
		methodTwo();
		return;
	}

	private void methodTwo() {
		
		File file = new File("");
	}
	
	public static void main(String[] args) {
		
		JVMDemo demo = new JVMDemo();
		demo.methodOne(1);
	}
}

想要弄清楚程序到底是怎么执行的，我们反编译一下，用命令行，执行javap指令，下面就是反编译后的文件

找到执行methodOne方法的代码：

 public void methodOne(int);
    descriptor: (I)V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=7, args_size=2
         0: iconst_0
         1: istore_2
         2: iload_1
         3: iload_2
         4: iadd
         5: istore_3
         6: aload_0
         7: getfield      #12                 // Field obj:Ljava/lang/Object;
        10: astore        4
        12: invokestatic  #20                 // Method java/lang/System.currentTimeMillis:()J
        15: lstore        5
        17: aload_0
        18: invokespecial #26                 // Method methodTwo:()V
        21: return
      LineNumberTable:
        line 12: 0
        line 13: 2
        line 14: 6
        line 15: 12
        line 16: 17
        line 17: 21
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      22     0  this   Lcom/tongtong/jvm/HelloWorldDemo;
            0      22     1     i   I
            2      20     2     j   I
            6      16     3   sum   I
           12      10     4   abc   Ljava/lang/Object;
           17       5     5 start   J

着重看这一部分

 Code:
      stack=2, locals=7, args_size=2
         0: iconst_0
         1: istore_2
         2: iload_1
         3: iload_2
         4: iadd
         5: istore_3
         6: aload_0
         7: getfield      #12                 // Field obj:Ljava/lang/Object;
        10: astore        4
        12: invokestatic  #20                 // Method java/lang/System.currentTimeMillis:()J
        15: lstore        5
        17: aload_0
        18: invokespecial #26                 // Method methodTwo:()V
        21: return

关于javap的指令集，已准备好，点开https://mp.youkuaiyun.com/postedit/82820634，里面有详细的指令集说明，可以对照着看上面的代码。

下面进行分析:

iconst_0 将int类型常量0压入栈
istore_2 将int类型值存入局部变量2

上面的两个步骤就对应这两个指令。那为什么一定要存在局部变量2中呢？为什么不是0或者1中呢？

以为局部变量表1中存储的是程序中的参数i，验证方法如下：

int sum = i + j;

这是methodOne方法中的一句代码，对应反编译中的这三个指令：

 2: iload_1
 3: iload_2
 4: iadd
 5: istore_3

我们来看看指令的具体含义：

iload_1 ：从局部变量1中装载int类型值
iload_2 ：从局部变量2中装载int类型值
iadd : 执行int类型的加法
istore_3 : 将int类型值存入局部变量3

很明显，iload_2装载的是j的值，那么iload_1装载的肯定是i的值，因此可以说明i是保存在局部变量1中的。那么问题来了，局部变量0中保存的是什么呢？答案是：this,具体为什么会是this，暂时还不清楚，有待后续学习。但是有一个地方，可以间接的说明这个问题，在反编译代码中有这么一句：args_size=2,表示的是方法中传入的参数的个数，在方法中明明只传了一个i,为什么会有两个？事实上，另一个参数就是this。

经过上述分析，我们可以得到下面这张图:

好了，证明结束。现在回过头来继续解析下面这四个指令:

iload_1 ：从局部变量1中装载int类型值
iload_2 ：从局部变量2中装载int类型值
iadd : 执行int类型的加法
istore_3 : 将int类型值存入局部变量3

前两个指令是分别从局部变量1和2中装载int类型值到操作数栈中，然后执行iadd,得到sum的值，接着执行istore_3,把sum保存到局部变量3中，下图即展示了这几个过程:

从以上分析中大概可以得出结论，操作数栈是用来保存操作数或者中间结果的。而局部变量表，顾名思义，就是用来保存局部变量的，它是32位的。最开始的时候，里面是空的，在真正执行程序时才会填充数据。

出了局部变量，程序中还定义了成员变量，即Object obj = new Object()，并且在methodOne()中还把obj付给了局部变量abc。吗，额这个过程又改怎样表示呢？

看上图的红线部分，obj保存在堆(heap)中，而abc是保存在局部变量表中，是obj的一个引用，它指向堆中的obj，保存的是obj的地址。

动态链接

动态链接突出的是java具有动态性，即java的运行时多态。Java的运行时多态就是用动态链接实现的。举个例子:

//定义接口
public interface UserService{

}

//定义类
public class UserController{

    @Autowired
    private UserService userService;

    public void addUser(User user){

        userService.save();
        .......
   }

}

以上面代码为例，我们定义了一个接口UserService,它有很多实现类(此处没给出具体实现)，当我们注入UserService的实例时并执行save()方法时，事实上，jvm需要通过动态链接来动态的获取这个实例对应的具体实现类，因为这个接口可能有不止一个实现类，当执行方法时，我们要具体到某个实现类才可以。这也体现了java的运行时多态的特性。