06_Java栈

一、Java栈概述
二、局部变量表（Local Variables）
三、操作数栈（Operand Stack）
四、代码追踪
五、栈顶缓存技术
六、动态链接（Dynamic Linking）
七、方法调用
八、方法返回地址（Return Address）
九、Java栈相关面试题

一、Java栈概述

虚拟机栈简图.png

1. 指令集 ==> 零地址指令

由于跨平台的设计，Java指令集都是根据栈结构来设计。不同平台的CPU架构不同，所以不能基于寄存器架构设计。

零地址指令
优势：
- 跨平台
- 指令集小
- 编译器容易实现
- 劣势：性能下降，实现同样的功能需要更多的指令。

2. 生命周期 ==> 与线程一致

每个线程创建时都会创建一个虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack），其内部保存一个个栈帧（Stack Frame），入栈和出栈对应着一次次Java方法的调用。
Java栈是线程私有的。

3. 职责概述

作用
- 主管Java程序的运行，它保存方法的局部变量（8种基本数据类型的值、对象的引用地址）、部分结果，并参与方法调用和返回。
优势
- 快速有效的分配存储的方式，访问速度仅次于程序计数器；
- JVM堆Java虚拟机栈的操作简单，只有两个：
  - 每个方法的执行，入栈（push）；
- 方法执行完，出栈（pop）；
- 不存在垃圾回收
  - GC；
- OOM：存在，一直压栈导致栈溢出。StackOverflowError；

可能出现的异常 ==> Java虚拟机规范允许Java栈的大小是动态或者固定不变的。

可能存在OOM
- 虚拟机栈大小动态扩展，在尝试扩展时候无法申请到足够内存；
- 创建线程时候没有足够内存去创建对应的虚拟机栈。

可能存在栈溢出

public class StackErrorTest {
private static int count = 1;
public static void main(String[] args) {
   /*
    * 1. 默认情况，count = 5885 时候抛异常；
    * 2. 设置栈大小，Xss = 256k时，count = 1928 时候抛异常
    */
   System.out.println("count = " + count++);
   main(args);
}
}

4. 运行过程

存储单位 ==> 栈帧
运行原理
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（Dynamic Linking）（或指向运行时常量池的方法引用）
- 方法返回地址（Return Address）（或方法正常退出或异常退出的定义）
- 附加信息

二、局部变量表（Local Variables）

别名
- 局部变量数组
- 本地变量表
结构解析
- LineNumberTable ==> 代码开始行号与字节码开始行号对应表
  - start PC：字节码开始行号
  - Line Number：代码开始行号
- LocalVariable ==> 局部变量的描述信息 | 变量名 | 中文含义 | 说明 | | —- | —- | —- | | 开始start | 字节码开始行号 | | | length | 变量的字节码作用行长度 | | | name | 变量名 | | | Signature | 变量描述 | 开头 [ 代表数组 L 代表引用类型 |
局部变量表的理解
1. 定义为一个数字数组，主要存储方法参数和定义在方法内的局部变量；
  - 8种基本数据类型；
  - 对象的引用
  - returnAddress类型
2. 局部变量表建立在线程独立的栈的栈帧上，线程私有，不存在数据安全问题。
3. 局部变量表的所需容量大小在编译期间确定。保存在方法的Code属性的maxim local variables数据项中。局部变量表在运行期间大小不变。
4. 方法嵌套调用的最大次数由栈的大小决定。
5. 局部变量表中的变量只在当前方法调用中有效。调用结束后局部变量表会随着栈帧的销毁（出栈）而销毁。
关于槽（slot）的理解
1. 局部变量表中，最基本的单元Slot
2. 参数值的存放总是在局部变量数组，索引范围 [0, length -1]
3. 存放编译期可知的变量。
4. 数据占用情况
  1. 32位以内的类型（byte, short, int, char, boolean）占用一个slot
    - byte, short, char在存储前被转为int
    - boolean也被转位int，0表示false，非0表示true
  2. 64位类型（double, long）占用两个slot
5. JVM会为局部变量表中的每一个Slot分配一个访问索引，通过索引访问变量值；
6. 实例方法被调用，方法参数和方法体内部变量都会按定义顺序被复制到变量表的每一个Slot
7. 访问占两个slot的64位的数据（double, long）时，使用起始索引
8. 如果当前栈帧由构造方法或者实例方法创建，则局部变量表的index = 0 的位置存放当前对象的引用（this）
  - 静态方法中不能使用this -> this不存在于静态方法的局部变量表中。
9. Slot是可以重复利用的。如果一个局部变量过了其作用域，那么在其作用域之后声明的局部变量就可能复用过期的局部变量的Slot，节省资源。
变量分类
1. 按数据类型
  - 基本数据类型
  - 引用数据类型
2. 按在类中声明位置
  1. 成员变量
    1. 类变量 / 静态变量（static）
      - Linking（链接）的Prepare（准备）阶段，默认赋值
      - Initialization（初始化阶段），进行静态代码块赋值（若有静态代码块），或显式赋值。
    2. 实例变量
      对象创建，会在堆空间中分配实例变量空间，并进行默认赋值。
  2. 局部变量
    使用前，必须显式赋值，否则编译不通过。
```
int b;
b+=2;
```
小结
- 栈帧性能调优关系最为密切的部分就是局部变量表。方法执行时，虚拟机使用局部变量表完成方法的传递。
- 局部变量表中的变量也是重要的垃圾回收根节点，只要被局部变量表直接或者间接引用的对象，都不会被回收。

三、操作数栈（Operand Stack）

在方法执行过程中，执行引擎根据字节码指令，往操作数栈中写如数据和提取数据；
- 某些字节码指令（如bipush）将值入栈，其他字节码指令（比如iload）提取操作数出栈
比如：复制，交换，求和等操作
主要用于保存中间结果，同时作为计算过程中变量的临时存储空间；
是JVM执行引擎的一个工作区，一个方法开始执行，一个新的栈帧也随之创建，操作数栈为空（并非null，容量在编译期确定，保存在方法的Code属性中，为max_stack的值）；
操作数栈单位深度与Slot大小一致
- 32位占一个栈单位深度
64位占两个栈单位深度
操作数栈用数组实现，但只能通过入栈和出栈来访问。
被调用的方法带返回值，则返回值也会被压入操作数栈，并且更新PC寄存器中下一条需要执行的字节码指令。
操作数栈中的元素数据类型与字节码指令序列严格匹配，两次验证
- 编译器在编译期间进行验证
类加载过程中的类检验 -> 数据流分析阶段再次验证
Java虚拟机的解释引擎是基于操作数栈的执行引擎。

四、代码追踪

非静态方法求和操作举例
- 代码
```
public void testAddOperation() {
byte i = 15;
int j = 8;
int k = i + j;
}
```
- 对应字节码指令
```
Code:
stack=2, locals=4, args_size=1
   0: bipush        15
   2: istore_1
   3: bipush        8
   5: istore_2
   6: iload_1
   7: iload_2
   8: iadd
   9: istore_3
   10: return
```
- 解释
  - bipush -> 将值压入操作数栈；
  - istore -> 存入方法栈帧的局部变量表（该方法为非static的类方法所以istore位置为1，0是局部变量表存当前对象this的引用）；
  - ioad_1, iload_2，两个数值出操作数栈，由执行引擎加载；
  - iadd，执行引擎执行加的操作，并将结果压入操作数栈；
  - istore_3，将结果值存入局部变量表；
  - return，返回
方法引用举例
- 代码 ```java public int getSum() { int m = 10; int n = 20; int k = m + n; return k; }

public void testGetSum() { // 获取上一个方法栈帧返回的结果，并保存到操作数栈中 int i = getSum(); int j = 10; }


   - 第二个方法对应字节码指令
```c
Code:
    stack=1, locals=3, args_size=1
        0: aload_0
        1: invokevirtual #2                  // Method getSum:()I
        4: istore_1
        5: bipush        10
        7: istore_2
        8: return

解释
- 第一行代码aload_0，获取上一个方法的栈帧返回结果，并保存到操作数栈？（康师傅是这样讲的，但有弹幕说是调用this）i++

五、栈顶缓存技术

基于栈式架构的虚拟机使用0地址指令更加紧凑，但完成一项操作的时候必须使用更多的入栈和出栈指令，意味着，需要更多次数的指令分派（instruction dispatch）和内存读写
由于操作数是存储在内存中的，频繁执行内存读写必然影响执行速度。所以HotSpot虚拟机设计者提出了栈顶缓存技术（Tos, Top of Stack Caching）的解决方案，将栈顶元素全部缓存到物理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。

六、动态链接（Dynamic Linking）

每一个栈帧都包含一个指向方法区 -> 运行时常量池（字节码中constant pool在运行后会存放到方法区）中该栈帧所属方法的引用。目的是保证支持当前方法的代码实现动态链接（Dynamic Linking）
为什么需要运行时常量池？
- 提供符号和常量，便于指令的识别。节省栈的空间。

七、方法调用

在JVM中，将方法引用转换为调用方法的直接引用与方法的绑定机制相关。
- 静态链接：编译期间可知，运行期间不变。
  早期绑定：目标方法在编译期间可知，运行期间不变，即可以将该方法与所属类型绑定，由于明确了被调用的目标方法究竟是哪一个，因此可以使用静态链接方式将符号引用转换为直接引用。
- 动态链接：编译期间无法确定，转换过程具有动态性。
  晚期绑定：编译期无法确定，只能在程序运行期根据实际的类型绑定相关的方法。
类似于Java一类的语言都具有面向对象的特性，多态特性决定了他们具备早期绑定和晚期绑定两种方式；
Java中任何一个普通方法都具备虚函数的特征（C++中的virtual修饰的函数），若不希望具有虚函数的特性可以用final修饰。
虚方法和非虚方法。
- 非虚方法：编译期确定的方法
  - 静态方法 static
  - 私有方法 private
  - final方法
  - 实例构造器
  - 父类方法
多态性的使用前提：
- 类继承
- 方法重写
方法调用相关字节码指令
| 指令名 | 调用类型 | 说明 | | —- | —- | —- | | invokestatic | 普通方法调用 | 调用静态方法 | | invokespecial | 普通方法调用 | 调用构造器方法，私有（private）方法，父类方法 | | invokevirtual | 普通方法调用 | 调用所有虚方法 | | invokeinterface | 普通方法调用 | 调用接口方法 | | invokedynamic | 动态调用 | 动态解析出需要调用的方法 |
- 普通方法调用指令，解析阶段唯一确定方法版本
- 固化到虚拟机内部，方法调用执行不可人为干预。
  - 其中invokestatic和invokespecial指令调用的方法称为非虚方法，其余方法（final修饰的除外）称为虚方法。
- 动态调用指令
  - 支持用户输入确定方法版本
  - Java 7 开始增加，为了实现动态类型语言，但没有提供直接生成该指令的方法，需要借助ASM等底层字节码生成工具；本质是对JVM规范的修改而不是对Java语言规则的修改，最大受益者是Java平台的动态语言的编译器。
  - Java 8的lambda表达式出现，使得invokedynamic指令可以直接生成。
编程语言的静态类型和动态类型 | 语言类型 | 类型检查的阶段 | 类型判断标准 | 举例 | | —- | —- | —- | —- | | 静态 | 编译阶段 | 变量自身类型 | Java:
String str = “hello”; | | 动态 | 运行阶段 | 变量值的类型信息 | JavaScript:
var name = 10;
var name = “hello”;
Python:
info = 130.5; |
Java方法重写（Override）的本质
- 重写过程
  1. 找到操作数栈栈顶元素所执行对象的实际类型C；
  2. 若在类型C中找到与常量池中的描述符合简单名称都相符的方法，则进行访问权限校验；若校验通过，则返回这个方法的直接引用，查找过程结束；校验失败，则返回java.lang.IllegalAccessError异常；
  3. 未在常量池中找到对应的方法，按继承关系从下到上，依次对C的各个父类进行第二步的验证过程；
  4. 始终不能找到，抛出java.lang.AbstractMethodError异常；
- 虚方法表（virtual method table，非虚方法不会存这里）

八、方法返回地址（Return Address）

1. 存放内容

调用该方法的PC寄存器的值

2. 方法结束的方式

正常执行完成
返回的是，调用者的PC寄存器的PC寄存器的值（调用本方法的地方的下一行代码对应的字节码行数）
异常终止
- 通过异常表来确定。
- 不会返回任何值给调用者。

3. 详细补充

本质上方法退出就是当前栈帧出栈的过程。
栈帧出栈时，需要恢复上层方法的局部变量表、操作数栈、将返回值压入调用者栈帧的操作数栈（Operator Stack）（有弹幕说如果不使用，不会压入操作数栈，可能是先存局部变量表），设置PC寄存器的值，使调用者（Caller）方法继续执行。

九、Java栈相关面试题

举例栈溢出（StackOverFlowError）的情况
- 方法调用层数过深，达到栈内存最大值。
- 特例：main方法递归调用自己。
调整栈大小，就能保证栈不溢出吗？
- 不一定，递归没有出口或者递归层数过深也会栈溢出。
分配栈内存越大越好吗？
- 不是。
  - 个人思考：栈内存很大，那么可能对应的堆内存等其他JVM内存也相应需要很大。
  - 解答：总内存一定，栈内存越大，对栈本身来说，防止了栈溢出过早（不能完全防止栈溢出），却挤占了其他内存区域的空间。
垃圾回收是否涉及Java栈？
- 个人思考：不涉及，方法以栈帧作为单位，方法执行完，栈帧出栈，其对应的内存就被释放了。
方法中局部变量是否线程安全？
- 个人思考：是线程安全的。局部变量存放于栈帧的局部变量表中，每个线程都有自己的虚拟机栈，栈帧，和局部变量表。

一、Java栈 概述