操作数栈概述

  1. 每一个独立的栈帧除了包含局部变量表以外，还包含一个操作数栈，也可以称之为表达式栈（Expression Stack），栈结构
  2. 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

可以参考这篇，数据结构波兰表达式
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操作数栈的作用

  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. 操作数栈是基于数组实现的，但是不能用索引访问，只能通过出栈入栈操作。
  3. 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，这时方法的操作数栈是空的（这个时候数组是创建好并且是长度固定的，但数组的内容为空）
  4. 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maxstack的值。
  5. 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
  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。

    操作数栈代码追踪

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    杂项
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    分析

  9. 首先执行第一条语句，PC寄存器指向0，也就是指令地址为0，然后使用bipush让操作数15入操作数栈，这时候局部变量表什么都没有。每一行执行完了，PC寄存器都会更新指向下一行指令的位置，后面就不重复写这句话了

  10. istore_1，把15放入索引1的局部变量表，操作数栈15出栈，索引0是this
  11. bipush 8，8入操作数栈
  12. istore_2，把8放入索引2的局部变量表，操作数栈8出栈
  13. iload_1，局部变量表索引1的变量入操作数栈
  14. iload_2，局部变量表索引2的变量入操作数栈
  15. iadd，操作数栈都出栈，进行加法运算，这里是通过执行引擎编译成机器语言，CPU进行的四则运算，得到结果，结果入操作数栈
  16. istore_3，把算出的结果放入到索引3的局部变量表中，操作数栈结果出栈
  17. return，方法结束，void默认有一个return

    入栈和存储的数据类型转换

  • 因为 8 可以存放在 byte 类型中，所以压入操作数栈的类型为 byte ，而不是 int ，所以执行的字节码指令为 bipush 8
  • 但是存储在局部变量的时候，会转成 int 类型的变量：istore_2

    栈顶缓存技术

    栈顶缓存技术：Top Of Stack Cashing
  1. 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（也就是你会发现指令很多）和导致内存读/写次数多，效率不高。
  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. 寄存器的主要优点：指令更少，执行速度快，但是指令集（也就是指令种类）很多