1. 概述

首先栈是运行时的单位，而堆是存储的单位。

栈解决程序的运行问题，即程序如何执行，或者说如何处理数据。
堆解决的是数据存储的问题，即数据怎么放，放哪里。

2.2 虚拟机栈 - 图1

2. Java虚拟机栈是什么

是线程私有的
Java虚拟机栈（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），对应着一次次的Java方法调用。

2.1 生命周期

生命周期和线程一致，也就是线程结束了，该虚拟机栈也销毁了。

2.2 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。

2.3 栈的特点

先进后出，后进先出。
对于栈来说不存在垃圾回收问题（栈存在溢出的情况）

2.4 开发中遇到哪些异常？

栈中可能出现的异常
Java 虚拟机规范允许Java栈的大小是动态的或者是固定不变的。
如果采用固定大小的Java虚拟机栈，那每一个线程的Java虚拟机栈容量可以在线程创建的时候独立选定。如果线程请求分配的栈容量超过Java虚拟机栈允许的最大容量，Java虚拟机将会抛出一个StackoverflowError 异常。
如果Java虚拟机栈可以动态扩展，并且在尝试扩展的时候无法申请到足够的内存，或者在创建新的线程时没有足够的内存去创建对应的虚拟机栈，那Java虚拟机将会抛出一个 outofMemoryError 异常。

2.4.1 设置栈的大小

-Xss1m
-Xss1k

3. 栈帧

   栈帧的基本单位，栈的存储单元

3.1 栈中存储什么？

栈中的数据都是以栈帧（Stack Frame）的格式存在。每个线程都有自己的栈，在这个线程上正在执行的每个方法都各自对应一个栈颜（Stack Frame）。

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。

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）。

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。

3.2 栈运行原理

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。

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。

Java方法有两种返回函数的方式，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。

3.3 栈帧的内部结构

局部变量表（Local Variables）
操作数栈（operand Stack）（或表达式栈）
动态链接（DynamicLinking）（或指向运行时常量池的方法引用）
方法返回地址（Return Address）（或方法正常退出或者异常退出的定义）

3.3.1 局部变量表

局部变量表：Local Variables，被称之为局部变量数组或本地变量表

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returnAddress类型。

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

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。

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，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。

3.3.1.1 关于Slot的理解

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。

局部变量表，最基本的存储单元是Slot（变量槽）
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。

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。

32位以内	slot所占个数
byte,short,float,int,char	1
long和double	2

2.2 虚拟机栈 - 图2
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。

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顺序被复制到局部变量表中的每一个slot上。

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）

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index为0的slot处，其余的参数按照参数表顺序继续排列。

3.3.1.2 Slot的重复利用

栈帧中的局部变量表中的槽位是可以重用的，如果一个局部变量过了其作用域，那么在其作用域之后申明的新的局部变就很有可能会复用过期局部变量的槽位，从而达到节省资源的目的。

2.2 虚拟机栈 - 图4

3.3.1.3 局部变量与静态变量的对比

按照数据类型区分：基本数据类型，引用数据类型。
按照类中声明的位置区分：成员变量（类变量，实例变量），局部变量。

类变量：链接过程的准备结算，给类变量默认赋值，初始化阶段给类变量显示赋值即静态代码块。
实例变量：随着对象的创建，会在堆空间中分配实例变量空间，并进行默认赋值。
局部变量：在使用前必须进行显式赋值，不然编译不通过。
3.3.2 操作数栈
每一个独立的栈帧除了包含局部变量表以外，还包含一个后进先出（Last - In - First -Out）的 操作数栈，也可以称之为 表达式栈（Expression Stack）
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，即入栈（push）和出栈（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。使用它们后再把结果压入栈
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临时的存储空间。

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。.

3.3.2.1 代码追踪：

    public void  test(){
        byte i = 3;
        int j = 2;
        int k = i + j;
    }

此时iconst_3 相当于bipush 3,向操作数栈中push进去一个3。
注意此时 PC寄存器&&局部变量表&&操作数栈的作用。
（PC寄存器记录此时线程执行到哪一行，局部变量表存储哪些变量，操作数栈做临时操作存储计算）

3.3.3.2 栈顶缓存技术

前面提过，基于栈式架构的虚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。
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。

3.3.3 动态链接

访问常量池的指针，方便用的时候直接访问常量池，调用其他方法。

每一个栈帧内部都包含了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。比如 : invokedynamic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。

2.2 虚拟机栈 - 图7

为什么需要运行时常量池？

因为在不同的方法，都可能调用常量或者方法，所以只需要存储一份即可，节省了空间
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

引用

https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-6.html#jvms-6.5.iconst_i

2.2 虚拟机栈