【JVM6】虚拟机栈

1、虚拟机栈出现背景

（1）由于跨平台性的设计，Java的指令都是根据栈来设计的。不同平台CPU架构不同，所以不能设计为基于寄存器，基于寄存器与CPU耦合太高。
（2）基于栈的优点：跨平台，指令集小（8位），编译器容易实现。缺点：性能下降，实现同样功能需要更多指令。

2、内存中的堆与栈

栈是运行时的单位，而堆是存储的单位：

即：栈是解决程序的运行问题，及程序是如何执行，或者是如何处理数据。
堆是解决数据存储的问题，即数据怎么存放、放在哪儿。

3、Java虚拟机栈基本内容

（1）Java虚拟机栈是什么

Java虚拟机栈，早期也叫Java栈。每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈，其内部保存着一个一个的栈帧（Stack Frame），对应着一个一个的方法调用。

（2）生命周期

生命周期和线程保持一致

（3）作用

主管Java程序的运行，它保存方法的局部变量、部分结果，并参与方法的调用和返回。

局部变量 对应 成员变量（属性）
基本类型变量 对应 引用类型变量（类、数组、接口）

（4）特点（优点）

（5）栈中可能出现的异常

1、stackOverFlowError异常

public class StackOutFlowError {
    public static void main(String[] args) {
        StackOutFlowError.main(args);
    }
}

（6）栈中储存着什么？

1、.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。
2、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)
3、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。
复习：

OOP基本概念：类、对象；
类中基本结构：field（属性、字段、域）、method；

（7）栈运行原理

1、JVM直接对 Java栈的操作只有两个，就是对栈帧的压栈和出栈，遵循“先进后出”/“后进先出”原则。
2、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 (Current Method），定义这个方法的类就是当前类 (Current Class .）
3、执行引擎运行的所有字节码指令只针对当前栈帧进行操作。
4、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。

5、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帧。
6、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，使得前一个栈帧重新成为当前栈帧。

7、Java方法有两种返回西数的方式，一种是正常的函数返回，使用return指令；另外一种是抛出异常。不管使用哪种方式，都会导致栈帧被弹出。

（8）栈帧的内部结构

4、栈帧之结构一、局部变量表（Local variables）

（1）描述

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头基本数据类型、对象引用 (rererence），以及returnAddress类型。

Java八大数据类型：
（1）整数类型：byte、short、int、long
（2）小数类型：float、double
（3）字符类型：char
（4）布尔类型：boolean
八大数据类型都可以以数字存储到数字数组中

3、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。
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 1ocal 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、方法签到调用次数又栈的大小决定，一般来说，栈越大，方法嵌套调用次数越多，对于一个函数来说，它的参数和局部变量越多，使得局部变量表越膨胀，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。
6、方法栈帧销毁时，局部变量表也会销毁。

（2）关于Slot（槽）的理解

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、局部变最表中存放编译期可知的各种基木数据类型（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。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true。long 和double 则占据两个Slot.。
4、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
5、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顺序被复制到局部变量表中的每一个slot上
6、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）
7、如果当前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index0的slot处，其余参数按照参数表顺序继续排列。

 public void test02(int a){
        double b=0;
        float c=10;
        long d=20;
        Date e = new Date();
        char f='c';
    }

以上代码对应的：
其中double和long都是64bit的，占2个slot。其余类型变量每个占1个slot（槽）。所以一共的槽数为9。

局部变量表：

（3）静态变量和局部变量的对比

5、补充说明

6、栈帧之结构二、操作数栈（Operand Stack）

(1)操作数栈描述

1、操作数栈，主要用于保存计算过程的中间结果，同时作为计算过程中变量临时的存储空间。
2、操作数栈就是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，这个方法的操作数栈是空的。
3、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。
4、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

5、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入栈（push）和出栈(pop）操作来完成一次数据访问。
6、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中，并更新PC寄存器中下一条需要执行的字节码指令。
7、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。
8、另外，我们说Java虚拟机的解释引擎是基于栈的执行引擎，其中的栈指的就是操作数栈。

(2)代码追踪

    public void test04(){
        int i=10;
        int j=20;
        int x=i+j;

    }

1、10入操作数栈

2、10进入局部变量表

3、20入操作数栈

4、20入局部变量表

5、加载10和20到操作数栈


6、计算10+20：

7、30入局部变量表

(3)栈顶缓存技术

1、前面提过，基于栈式架构的虛拟机所使用的零地址指令更加紧凑，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，这同时也就意味着将需要更多的指令分派( instruction dispatch) 次数和内存读/写次数。
2、由于操作数是存储在内存中的，因此频繁地执行内存读/写操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，将栈项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。

6、栈帧之结构三、动态链接（Dynamic Linking、指向运行时常量池的方法的引用）

1、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。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) 。比如: invokedynamic指令
2、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。

7、方法的调用

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机制相关。

（1）静态链接:

当一个字节码文件被装载进JVM内部时，如果被调用的目标方法在编译期可知,且运行期保持不变时。这种情况下将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。

（2）动态链接:

如果被调用的方法在编译期无法被确定下来，也就是说，只能够在程序运行期将调用方法的符号引用转换为直接引用，由于这种引用转换过程具备动态性，因此也就被称之为动态链接。（多态）

静态链接——早期绑定(Early Binding)
动态链接——晚期绑定(Late Binding)
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，这仅仅发生一次。

（3）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为
直接引用。

（4）晚期绑定:

如果被调用的方法在编译期无法被确定下来，只能够在程序运行期根据实际的类型绑定相关的方法，这种绑定方式也就被称之为晚期绑定。

（5）晚期绑定举例

class People{
    public void eat(){
        System.out.println("吃饭");
    }
}

class Teacher extends People{
    @Override
    public void eat() {
        super.eat();
        System.out.println("吃10元的");
    }
}
class Student extends People{
    @Override
    public void eat() {
        System.out.println("吃20元的");
    }
}

public class PeopleTest {
    public void showEat(People people){
        people.eat();//**变现为晚期绑定**
    }
}

class A{
    public static void main(String[] args) {
        PeopleTest peopleTest = new PeopleTest();
        peopleTest.showEat(new People());//结果为：吃饭
        //peopleTest.showEat(new Teacher());//结果为：吃10元的
        //peopleTest.showEat(new Student());//结果为：吃20元的
    }
}

由上面例子可知，虽然方法showEat(People people)方法的参数类型写着需要People类型，但是输入子类的类型变量也可以。而且随着输入子类类型的不同，结果也不同。所以被调用的方法eat在编译期无法被确定下来(到底是用People类的eat方法、还是用Student类的eat方法、还是用Teacher类的eat方法)。所以叫晚期绑定！

（6）虚方法和非虚方法

1、非墟方法：

①在编译器就确定了具体的调用版本，这样的方法就叫非虚方法。
②静态方法、私有方法、final修饰的方法、实例构造器、父类方法都是非虚方法。

2、虚拟机中提供了以下几条方法调用指令:

普通调用指令:

1. invokestatic: 调用静态方法，解析阶段确定唯一方法版本
2. invokespecial: 调用方法、 私有及父类方法，解析阶段确定唯-方法版本
3. invokevirtual: 调用所有虚方法.
4. invokeinterface: 调用接口方法

普通调用指令举例：

public class Test01 {

}
class Father{
    Father(){
        System.out.println("父类构造器");
    }
    public void method01(){
        System.out.println("调用了父亲普通的方法");
    }
    public static void method02(){
        System.out.println("调用了父类的静态方法");
    }
    public final void method03(){
        System.out.println("调用了父类的final方法");
    }
}
interface People{
    void method01();
}
class Son extends Father{
    public Son(){
        super();
    }
    public Son(int age){
        this();
    }
    private void method04(){
        System.out.println("调用了子类private的方法");
    }
    public static void method02(){
        System.out.println("调用了子类的静态方法");
    }
    public void show() {
        //字节码指令
        //invokestatic
        method02();
        //invokestatic
        super.method02();
        //invokespecial
        method04();
        //invokespecial
        super.method01();
        //invokespecial
        super.method03();
        //invokevirtual
        method03();//这个方法被final修饰过，但是编译成字节码文件时，机器它不知道该方法是否被重写过。所以指令为invokevirtual
        //invokeinterface
        People people=null;
        people.method01();//调用接口方法
    }

}

动态调用指令:

1. invokedynamic: 动态解析出需要调用的方法，然后执行.

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。invokestatic指令和invokespecial指令调用的方法称为非虛方法，其余的(final修饰的除外)称为虚方法。

3、关于invokedynamic指令

1、动态类型语言和静态型语言：

动态类型语言：在运行期确定变量类型。python : name=90;
动态类型语言：判断变量值的类型信息：90是整数型；
静态类型语言：在编译期确定变量类型：Java ：String name=“yiheng”；
静态类型语言：判断变量本身的类型信息：name是字符串类型。

动态调用常见于lambda表达式

//定义函数式接口A
interface A{
   void method01();
}

public class invokedynamicTest {
    public static void main(String[] args) {
        //invokedynamic
        A a=()->{
            System.out.println("lambda表达式实现函数式接口接口A");
        };
        //invokedynamic
        new Thread(()->{
            System.out.println("lambda表达式实现了Runnable接口");
        },"线程1").start();
        //invokedynamic
        new invokedynamicTest().b(()->{
            System.out.println("lambda表达式实现函数式接口接口A");
        });

    }
    public void b(A a){
        System.out.println("调用了方法b");
    }

}

（7）方法重写的本质

举例：

class B{
    @Override
    public String toString() {
        return "B";
    }
}
class C extends B{
    @Override
    public String toString() {
        return "C";
    }
}

class D extends C{
    @Override
    public String toString() {
        return "D";
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(new D().toString());
    }

}

D类调用toString方法：

第一步：判断本类有没有重写toString方法。有的话就用本类的
第二步：D类没有重写toString方法，判断父类C有没有重写toString方法。有的话就用C类的。
如果B、C、D、都没有重写toString则调用Object类的；

（8）虚方法表

1、在面向对象的编程中，会很频繁的使用到动态分派，如果在每次动态分派的过程中都要重新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( virtual method table）(非虚方法不会出现在表中)来实现。使用索引表来代替查找。
2、每个类中都有一个虚方法表，表中存放着各个方法的实际入口。（通过引用先找到方法在虚方法表中的索引位置，然后通过该索引定位到方法在内存中实际地址。）

3、那么虚方法表什么时候被创建?
答：虚方法表会在类加载的链接阶段被创建并开始初始化，类的变量初始值准备完
成之后，JVM会把该类的方法表也初始化完毕。

8、栈帧之结构四、方法返回地址（Return Address）

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
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。