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5. 虚拟机栈

abstract

虚拟机栈是Java虚拟机为每个线程分配的内存区域，用于存储方法的局部变量、部分方法信息以及方法调用和返回的状态。每个方法在执行时都会创建一个栈帧，栈帧随着方法的调用和返回而入栈和出栈。栈的大小可以固定或动态扩展，栈的深度受限于具体的JVM实现。虚拟机栈是线程私有的，保证了线程执行过程中的数据独立性和安全性。

5.1 虚拟机栈概述​

笔记

官方对于虚拟机栈的说明：

虚拟机栈官方说明
虚拟机栈官方说明

5.1.1. 虚拟机栈出现的背景​

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的。

优点是跨平台，指令集小，编译器容易实现，缺点是性能下降，实现同样的功能需要更多的指令。

5.1.2. 初步印象​

有不少 Java 开发人员一提到 Java 内存结构，就会非常粗粒度地将 JVM 中的内存区理解为仅有 Java 堆（heap）和 Java 栈（stack）？为什么？

5.1.3 内存中的堆与栈​

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、放在哪儿。
内存中的堆栈
内存中的堆栈
笔记
  • 一般来讲，对象主要都是放在堆空间的，是运行时数据区比较大的一块
  • 并不是所有数据都放在堆空间中，栈也是可以存储一些数据的。如基本数据类型的局部变量，以及引用数据类型的对象的引用等

5.1.4. 虚拟机栈基本内容​

Java 虚拟机栈是什么?

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），对应这个一次次的 Java 方法调用。

  • 是线程私有的
public class StackTest {

    public static void main(String[] args) {
        StackTest test = new StackTest();
        test.methodA();
    }

    public void methodA() {
        int i  = 10;
        int j = 20;

        methodB();
    }

    public void methodB() {
        int k = 30;
        int m = 40;
    }
}
java
笔记

栈帧简图

这个图是一个栈帧的简图，画的不是那么细致。后续会有更细致的栈帧图。

生命周期

生命周期和线程是一致的

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、对象的引用地址）、部分结果，并参与方法的调用和返回。

  • 局部变量 vs\text{vs} 成员变量（或属性）
  • 基本数据变量 vs\text{vs} 引用类型变量（类，数组，接口）
笔记

因为 new 的对象是在堆空间存放的。栈中只是存放了这个对象的引用，也即对象的内存地址。

栈的特点

  • 栈是一种快速有效的分配存储方式，访问速度仅次于 PC 寄存器（程序计数器）
  • JVM 直接对 Java 栈的操作只有两个
    • 每个方法执行，伴随着进栈（入栈，压栈）
    • 执行结束后的出栈工作
  • 对于栈来说不存在垃圾回收问题
    • 没有垃圾回收（GC），存在 OOM
入栈出栈
入栈出栈
question

面试题：开发中遇到的异常有哪些？

在答的时候除了回答一些常见的异常，也可以回答下面的异常。

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 虚拟机栈可以动态拓展，并且在尝试拓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
public class StackErrorTest {

    public static void main(String[] args) {
        main(args);
    }
}
java
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
	at org.depsea.jvm.chapter04.StackErrorTest.main(StackErrorTest.java:25)
	at org.depsea.jvm.chapter04.StackErrorTest.main(StackErrorTest.java:25)
    ....
java

设置栈的内存大小

我们可以使用参数 -Xss 选项来设置线程的最大栈空间，栈的大小直接决定了函数调用的最大可达深度。

笔记

IDEA 设置方法：Run-EditConfigurations-VM options 填入指定栈的大小 -Xss256k

设置方式如下：

如果没有显示 Vm Options，可以点击上面的 Modify options,勾选 Add VM options

public class StackDeepTest {

    private static int count = 0;

    public static void recursion() {
        count++;
        recursion();
    }

    public static void main(String[] args) {
        try {
            recursion();
        } catch (Throwable e) {
            System.out.println("deep of calling = " + count);
            e.printStackTrace();
        }
    }

}
java
deep of calling = 901
java.lang.StackOverflowError
	at org.depsea.jvm.chapter04.StackDeepTest.recursion(StackDeepTest.java:27)
	at org.depsea.jvm.chapter04.StackDeepTest.recursion(StackDeepTest.java:28)
	at org.depsea.jvm.chapter04.StackDeepTest.recursion(StackDeepTest.java:28)
    ....
java

5.2 栈的存储单位​

5.2.1 栈中存储什么？​

  • 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。
  • 在这个线程上正在执行的每个方法都对应各自的一个栈帧 (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
复习
  • OOP 的基本概念：类、对象
  • 类中的基本结构：field （属性、字段、域）、method

5.2.2 栈的运行原理​

  • 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 / 后进先出的和原则。
  • 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。
  • 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，成为新的当前栈帧。

示例代码

public class StackFrameTest {

    public static void main(String[] args) {
        StackFrameTest test = new StackFrameTest();
        test.method1();
    }

    public void method1() {
        System.out.println("method2开始执行");
        double i = method2();
        System.out.println("method2执行结束");
    }

    public double method2() {
        System.out.println("method2开始执行");
        int j = 10;
        int i = (int) method3();
        System.out.println("method2执行结束");
        return i + j;
    }

    public double method3() {
        System.out.println("method3开始执行");
        double i = 10;
        System.out.println("method3执行结束");
        return i;
    }
}
java
  • 不同线程中所包含的栈帧是不允许相互引用的，即不可能在另一个栈帧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。
笔记

这里的抛出异常是指抛出异常，并且没有处理异常。

无论写不写 return 生成的字节码中都有 return，当不需要返回值时，写代码时可以省略这个 return。返回值为 int ，对应的是 ireturn；返回值为 double ，对应的是 dreturn。

public class CurrentFrameTest {
    public void methodA){
        system.out.println（"当前栈帧对应的方法->methodA");
        methodB();
        system.out.println（"当前栈帧对应的方法->methodA");
    }
    public void methodB(){
        System.out.println（"当前栈帧对应的方法->methodB");
    }
}
java
笔记

以下面简单的代码为例，使用图示及文字描述表达方法的入栈和出栈过程。

public class CurrentFrameTest2 {
    public static void main(String[] args){
        method1();
    }
    public static void method1(){
        System.out.println（"这是方法1");
    }
}
java
  1. main()方法被调用，main()方法入栈
  2. main()方法调用method1()方法，method1()方法入栈。
  3. method1()方法执行完毕，method1()方法出栈。
  4. main()方法执行完毕，main()方法出栈，此时栈空，程序运行结束。

5.2.3 栈帧的内部结构​

每个栈帧中存储着：

  • 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）
  • 一些附加信息

并行每个线程下的栈都是私有的，因此每个线程都有自己各自的栈，并且每个栈里面都有很多栈帧，栈帧的大小主要由局部变量表 和
操作数栈决定的

5.3 局部变量表（Local Variables）​

  • 局部变量表也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。
笔记
package com.atguigu.java;

import java.util.Date;

public class LocalVariablesTest {

    private int count = 0;

    public static void main(String[] args) {
        LocalVariablesTest test = new LocalVariablesTest();
        int num = 10;
        test.test1();
    }

    public void test1() {
        Date date = new Date();
        String name1 = "atguigu.com";
        String info = test2(date, name1);
        System.out.println(date + name1);
    }

    public String test2(Date dateP, String name2) {
        dateP = null;
        name2 = "atguigu.com";
        double weight = 130.5;
        char gendar = '男';
        return dateP + name2;
    }

    public void test3() {
        count++;
    }

    public void test4() {
        int a = 0;
        {
            int b = 0;
            b = a + 1;
        }
        int c = a + 1;
    }
}
java

使用 IDEA 中的 jclasslib Bytecode Viewer 插件打开这个类的 class。

下图是 main 方法的声明信息

  • Name: 方法的名称 main，其名称指向常量池 #29。
  • Descriptor: 方法的参数及返回值信息 ([Ljava/lang/String;)V。其中 [ 表示数组，L 表示引用类型，java/lang/String 表示 String类型，V 表示返回值为 void。
  • Access flags：方法的访问标识，public static
Bytecode
 0 new #3 <com/atguigu/java/LocalVariablesTest>
 3 dup
 4 invokespecial #4 <com/atguigu/java/LocalVariablesTest.<init> : ()V>
 7 astore_1
 8 bipush 10
10 istore_2
11 aload_1
12 invokevirtual #5 <com/atguigu/java/LocalVariablesTest.test1 : ()V>
15 return
java

Methods →\to main →\to Code →\to Misc 中展示了该方法的一些属性。

  • Maximum local variables：局部变量表的最大长度
  • Code length: 代码长度，之所以为 16，是因为索引是从 0 开始的。

LineNumberTable 代码行号，字节码指令的行号和代码行号的对应关系。

  • Start PC：字节码指令的行号
  • Line Number：代码的行号

如字节码第 8 行：bipush 10，对应代码第 11 行： int num = 10;

LocalVariableTable 中显示了这个方法的局部变量表。一共有3个变量，一个是方法的参数：args，一个是 LocalVariablesTest 对象的引用：test，一个是：num。

  • [ 表示数组
  • L 表示引用类型
  • I 表示 int 类型。
  • D 表示 double 类型
  • C 表示 char 类型

如 [Ljava/lang/String 表示字符串数组，即 String []

Start PC 和 Length 合起来描述的是这个变量的作用域的范围。比如 num 的 Start PC 是 11，再到 LineNumberTable 中找到 11 对应的是 12，也即 num 变量从第 12 行开始起作用。第12行对应的代码是 test.test1()，也即下面代码中高亮的行。

int num = 10;
test.test1();
java

Length 是长度，Start PC + Length 就是变量作用域结束的位置。在上例中可以发现所有变量的 Start PC + Length 都等于 16，而这个方法的 Code length 正好是 16，也即这 3 个变量的作用域都是从声明开始到方法结束。

练习
public static void testStatic() {
    LocalVariablesTest test = new LocalVariablesTest();
    Date date = new Date();
    {
        int hello = 10;
        System.out.println(hello);
    }
    int count = 10;
    System.out.println(count);
}
java

5.3.1 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。
    • 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 表示 true。
    • long 和 double 则占据两个 Slot
  • 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 doub1e 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。
笔记

我们写代码时可以在非静态方法或构造函数中使用 this.xxxx，来引用一个成员变量或成员函数。因此局部变量表中应该是会包含 this 这个变量的。从字节码中可以证明上面的猜测。

上面代码中的 test1() 方法是一个非静态方法，这个方法的局部变量表中包含了 this 变量，其作用域直到方法结束。

笔记

注意 test2() 方法。

由于 double 需要占用两个 Slot，因此 double 后面的变量索引（Index）是从 5 开始的。

5.3.2 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。

笔记

test4() 方法中就涉及到了 Slot 的重复利用。

LocalVariablesTest#test4()
public void test4() {
    int a = 0;
    {
        int b = 0;
        b = a + 1;
    }
    int c = a + 1;
}
java

局部变量表如下：

可以看到变量 c 和变量 b 的索引都是 2，因为变量 c 的作用域在 b 之后，相当于变量 b 用完之后索引位置 2 就释放了，因此变量 c 可以使用索引位置 2。

变量的分类

按照数据类型分类：

  • 基本数据类型
  • 引用数据类型

按照在类中声明的位置分类：

  • 成员变量：在使用前，都经过默认初始化赋值
    • 类变量： Linking 的 prepare 阶段：给类变量默认赋值 →\to initial 阶段：给类变量显示赋值即静态代码块赋值。
    • 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，必须进行显式赋值的！否则，编译不通过
public void test5Temp() {
    int num;
    System.out.println(num); // 错误信息：变量num未进行初始化（Variable 'num' might not have been initialized）
}
java
练习
public class SlotTest {
    public void localVarl() {
        int a = 0;
        System.out.println(a);
        int b = 0;
    }
    public void localVar2() {
        {
            int a = 0;
            System.out.println(a);
        }
        //此时的就会复用a的槽位
        int b = 0;
    }
}
java

5.3.3 静态变量与局部变量的对比​

参数表分配完毕之后，再根据方法体内定义的变量的顺序和作用域分配。

我们知道类变量表有两次初始化的机会，第一次是在“准备阶段”，执行系统初始化，对类变量设置零值，另一次则是在“初始化”阶段，赋予程序员在代码中定义的初始值。

和类变量初始化不同的是，局部变量表不存在系统初始化的过程，这意味着一旦定义了局部变量则必须人为的初始化，否则无法使用。

public void test(){
    int i;
    System.out.println(i);
}
java

这样的代码是错误的，没有赋值不能够使用。

5.3.4 补充说明​

  • 在栈帧中，与性能调优关系最为密切的部分就是前面提到的局部变量表。在方法执行时，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，只要被局部变量表中直接或间接引用的对象都不会被回收。

5.4 操作数栈（Operand Stack）​

笔记

栈可以通过数组或链表来实现。可以参考数据结构中的栈相关章节。

  • 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

代码举例

public void testAddOperation(){
    byte i = 15; 
    int j = 8; 
    int k = i + j;
}
java

字节码指令信息

public void testAddOperation(); 
    Code:
     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
  • 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。
  • 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。
  • 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
  • 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和出栈操作来完成一次数据访问
  • 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。
  • 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。
  • 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。
笔记

这个方法的操作数栈是空的

前面讲到过 Java 中的操作数栈是通过数组来实现的。这里的操作数栈是空的，也即数组是空的。

这里再回忆一个 Java 中的知识点，数组是空的，并不意味着数组没有创建，这个数组是已经创建好的。数组有一个特点，就是数组一旦创建，其长度就是确定的。这个数组的长度就是操作数栈的深度。操作数栈的深度是在编译期就确定的。

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。

操作数栈的深度
操作数栈的深度

注意： 这里的栈并不等同于数组，只是操作数栈的底层数据结构为数组。但是并不能通过访问数组的方式来访问操作数栈，必须通过出栈/入栈的栈 API 来访问操作数栈。

5.5 代码追踪​

public void testAddOperation() {
    byte i = 15;
    int j = 8;
    int k = i + j;
}
java

使用javap 命令反编译class文件：javap -v 类名.class

public void testAddoperation(); 
		Code:
	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
注意

局部变量表从 1 开始，是因为 0 的位置存放的是 this 变量。

对于 int 类型，当不超过 byte 的最大值时，使用的是 bipush，当不超过 short 最大值时，使用的是 sipush；当超过 short 最大值时，会将值放到常量池中，然后通过 ldc 加载。

笔记

在本章的 【5.4 操作数栈（Operand Stack）】中有这样一句话

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

下面是对其的验证。

public int getSum() {
    int m = 10;
    int n = 20;
    int k = m + n;
    return k;
}

public void testGetSum() {
    int i = getSum();
    int j = 10;
}
java

在 testGetSum 的字节码中，一上来就是 aload_0。即获取上一个栈帧返回的结果，并保存在操作数栈中。

程序员面试过程中，常见的 i++ 和 ++i 的区别，放到字节码篇章时再介绍。

笔记

关于 i++ 和 ++i 几个问题的代码。

public void add() {
    // 第一类问题
    int i1 = 10;
    i1++;

    int i2 = 10;
    ++i2;

    // 第二类问题
    int i3 = 10;
    int i4 = i3++;

    int i5 = 10;
    int i6 = ++i5;

    // 第三类问题
    int i7 = 10;
    i7 = i7++;

    int i8 = 10;
    i8 = ++i8;
    
    // 第四类问题
    int i9 = 10;
    int i10 = i9++ + ++i9;
}
java

其局部变量表如下：

字节码
 0 bipush 10
 2 istore_1
 3 iinc 1 by 1
 6 bipush 10
 8 istore_2
 9 iinc 2 by 1
// i3++问题
12 bipush 10
14 istore_3
15 iload_3
16 iinc 3 by 1
19 istore 4
// ++i5问题
21 bipush 10
23 istore 5
25 iinc 5 by 1
28 iload 5
30 istore 6
32 bipush 10
34 istore 7
36 iload 7
38 iinc 7 by 1
41 istore 7
43 bipush 10
45 istore 8
47 iinc 8 by 1
50 iload 8
52 istore 8
54 bipush 10
56 istore 9
58 iload 9
60 iinc 9 by 1
63 iinc 9 by 1
66 iload 9
68 iadd
69 istore 10
71 return
java

5.6 栈顶缓存技术（Top-of-Stack Cashing）​

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。

5.7 动态链接​

笔记

动态链接、方法返回地址、附加信息 ： 有些地方将这三部分称为帧数据区

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

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。

笔记
public class DynamicLinkingTest {
    int num = 10;

    public void methodA() {
        System.out.println("methodA()......");
    }

    public void methodB() {
        System.out.println("methodB()......");

        methodA();

        num++;
    }
}
java
动态链接与常量池
动态链接与常量池

为什么需要运行时常量池呢？

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

5.8 方法的调用：解析与分派​

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

5.8.1 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，这种情况下降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

5.8.2 动态链接​

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将调用的方法的符号转换为直接引用，由于这种引用转换过程具备动态性，因此也被称之为动态链接。

静态链接和动态链接不是名词，而是动词，这是理解的关键。

对应的方法的绑定机制为：早期绑定（Early Binding）和晚期绑定（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。

5.8.3 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换为直接引用。

笔记

对应静态链接

5.8.4 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。

笔记

对应动态链接

class Animal {
    public void eat() {
        System.out.println("动物进食");
    }
}

interface Huntable {
    void hunt();
}

class Dog extends Animal implements Huntable {

    @Override
    public void eat() {
        System.out.println("狗吃骨头");
    }

    @Override
    public void hunt() {
        System.out.println("狗拿耗子，多管闲事");
    }
}

class Cat extends Animal implements Huntable {

    @Override
    public void eat() {
        super.eat(); // 表现为：早期绑定
        System.out.println("猫吃鱼");
    }

    @Override
    public void hunt() {
        System.out.println("猫吃耗子，天经地义");
    }
}

public class AnimalTest {
    public void showAnimal(Animal animal) {
        animal.eat(); // 表现为：晚期绑定
    }

    public void showHunt(Huntable huntable) {
        huntable.hunt(); // 表现为：晚期绑定
    }
}
java
showAnimal() 字节码
0 aload_1
1 invokevirtual #2 <com/atguigu/java/Animal.eat : ()V>
4 return
java
showHunt() 字节码
0 aload_1
1 invokeinterface #3 <com/atguigu/java/Huntable.hunt : ()V> count 1
6 return
java
Cat.eat() 字节码
 0 aload_0
 1 invokespecial #2 <com/atguigu/java/Animal.eat : ()V>
 4 getstatic #3 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;>
 7 ldc #4 <猫吃鱼>
 9 invokevirtual #5 <java/io/PrintStream.println : (Ljava/lang/String;)V>
12 return
java

invokevirtual 和 invokeinterface 虚方法和虚接口调用通常是晚期绑定。invokespecial 通常为早期绑定。

随着高级语言的横空出世，类似于 Java 一样的基于面向对象的编程语言如今越来越多，尽管这类编程语言在语法风格上存在一定的差别，但是它们彼此之间始终保持着一个共性，那就是都支持封装、继承和多态等面向对象特性，既然这一类的编程语言具备多态特悄，那么自然也就具备早期绑定和晚期绑定两种绑定方式。

Java 中任何一个普通的方法其实都具备虚函数的特征，它们相当于 C 语言中的虚函数（C 中则需要使用关键字 virtual 来显式定义）。如果在 Java 程序中不希望某个方法拥有虚函数的特征时，则可以使用关键字 final 来标记这个方法。

5.8.5. 虚方法和非虚方法​

非虚方法​

  • 如果方法在编译期就确定了具体的调用版本，这个版本在运行时是不可变的。这样的方法称为非虚方法。
  • 静态方法、私有方法、final 方法、实例构造器、父类方法都是非虚方法。
  • 其他方法称为虚方法。
笔记

子类对象的多态性的使用前提：

  1. 类的继承关系
  2. 方法的重写

非虚方法和多态性是互斥的。

在类加载的解析阶段就可以进行解析，如下是非虚方法举例：

class Father{
    public static void print(String str){
        System. out. println("father "+str); 
    }
    private void show(String str){
        System. out. println("father"+str);
    }
}
class Son extends Father{
    public class VirtualMethodTest{
        public static void main(String[] args){
            Son.print("coder");
            //Father fa=new Father();
            //fa.show("atguigu.com");
        }
    }
}
java

虚拟机中提供了以下几条方法调用指令：

普通调用指令：

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

invokevirtual：调用所有虚方法

要将 final 修饰的方法排除。

笔记
package com.atguigu.java;

class Father {

    public Father() {
        System.out.println("father的构造器");
    }

    public static void showStatic(String str) {
        System.out.println("father " + str);
    }

    public final void showFinal() {
        System.out.println("father show final");
    }

    public void showCommon() {
        System.out.println("father 普通方法");
    }
}

public class Son extends Father {
    public Son() {
        super();
    }

    public Son(int age) {
        this();
    }

    // 不是重写父类方法，静态方法不能被重写
    public static void showStatic(String str) {
        System.out.println("son " + str);
    }

    private void showPrivate(String str) {
        System.out.println("son private " + str);
    }

    public void show() {
        // invokestatic
        showStatic("atguigu.com");

        // invokestatic
        super.showStatic("good!");

        // invokespecial
        showPrivate("hello!");

        // invokespecial
        super.showCommon();

        // invokevirtual,但是这是一个非虚方法，当改为 super.showFinal() 后，字节码会变为 invokespecial
        showFinal();

        // invokevirtual
        showCommon();

        // invokevirtual
        info();

        MethodInterface in = null;

        // invokeinterface
        in.methodA();
    }

    public void info() {

    }
}

interface MethodInterface {
    void methodA();
}

java
虚方法与非虚方法
虚方法与非虚方法

动态调用指令：

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

关于invokedynamic指令​

  • JVM 字节码指令集一直比较稳定，一直到 Java7 中才增加了一个 invokedynamic 指令，这是 Java 为了实现「动态类型语言」支持而做的一种改进。
  • 但是在 Java7 中并没有提供直接生成 invokedynamic 指令的方法，需要借助 ASM 这种底层字节码工具来产生 invokedynamic 指令。直到 Java8 的 Lambda 表达式的出现，invokedynamic 指令的生成，在 Java 中才有了直接的生成方式。
  • Java7 中增加的动态语言类型支持的本质是对 Java 虚拟机规范的修改，而不是对 Java 语言规则的修改，这一块相对来讲比较复杂，增加了虚拟机中的方法调用，最直接的受益者就是运行在 Java 平台的动态语言的编译器。
动态类型语言和静态类型语言​

动态类型语言和静态类型语言两者的区别就在于对类型的检查是在编译期还是在运行期，满足前者就是静态类型语言，反之是动态类型语言。

说的再直白一点就是，静态类型语言是判断变量自身的类型信息；动态类型语言是判断变量值的类型信息，变量没有类型信息，变量值才有类型信息，这是动态语言的一个重要特征。

4.8.6. 方法重写的本质​

Java 语言中方法重写的本质：

  1. 找到操作数栈顶的第一个元素所执行的对象的实际类型，记作 C。
  2. 如果在类型 C 中找到与常量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，如果通过则返回这个方法的直接引用，查找过程结束；如果不通过，则返回 java.lang.IllegalAccessError 异常。
  3. 否则，按照继承关系从下往上依次对 C 的各个父类进行第 2 步的搜索和验证过程。
  4. 如果始终没有找到合适的方法，则抛出 java.lang.AbstractMethodError 异常。

IllegalAccessError介绍

程序试图访问或修改一个属性或调用一个方法，这个属性或方法，你没有权限访问。一般的，这个会引起编译器异常。这个错误如果发生在运行时，就说明一个类发生了不兼容的改变。

5.8.7 方法的调用：虚方法表​

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。

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。

虚方法表是什么时候被创建的呢？

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。

举例1：

举例2：

举例2.png
举例2.png
interface Friendly{
    void sayHello();
    void sayGoodbye(); 
}
class Dog{
    public void sayHello(){
    }
    public String tostring(){
        return "Dog";
    }
}
class Cat implements Friendly {
    public void eat() {
    }
    public void sayHello() { 
    } 
    public void sayGoodbye() {
    }
    protected void finalize() {
    }
    public String toString(){
      return "Cat"
    }
}
class CockerSpaniel extends Dog implements Friendly{
    public void sayHello() { 
        super.sayHello();
    }
    public void sayGoodbye() {
    }
}
java
Dog虚方法表
Dog虚方法表
CockerSpaniel虚方法�表
CockerSpaniel虚方法表
Cat虚方法表
Cat虚方法表

5.9 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。方法正常退出时，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。

当一个方法开始执行后，只有两种方式可以退出这个方法：

  1. 执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令（return），会有返回值传递给上层的方法调用者，简称正常完成出口；
    • 一个方法在正常调用完成之后，究竟需要使用哪一个返回指令，还需要根据方法返回值的实际数据类型而定。
    • 在字节码指令中，返回指令包含 ireturn（当返回值是 boolean，byte，char，short 和 int 类型时使用），lreturn（Long 类型），freturn（Float 类型），dreturn（Double 类型），areturn。另外还有一个 return 指令声明为 void 的方法，实例初始化方法，类和接口的初始化方法使用。
  2. 在方法执行过程中遇到异常（Exception），并且这个异常没有在方法内进行处理，也就是只要在本方法的异常表中没有搜索到匹配的异常处理器，就会导致方法退出，简称异常完成出口。

方法执行过程中，抛出异常时的异常处理，存储在一个异常处理表，方便在发生异常的时候找到处理异常的代码

Exception table:
from  to  target  type
   4  16      19   any
  19  21      19   any
java

本质上，方法的退出就是当前栈帧出栈的过程。此时，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、设置PC寄存器值等，让调用者方法继续执行下去。

正常完成出口和异常完成出口的区别在于：通过异常完成出口退出的不会给他的上层调用者产生任何的返回值。

5.10 一些附加信息​

栈帧中还允许携带与Java虚拟机实现相关的一些附加信息。例如：对程序调试提供支持的信息。

5.11 栈的相关面试题​

  • 举例栈溢出的情况？（StackOverflowError）
    • 通过 -Xss 设置栈的大小
    • 如无限递归调用，会导致栈溢出。
  • 调整栈大小，就能保证不出现溢出么？
    • 不能保证不溢出
  • 分配的栈内存越大越好么？
    • 不是，一定时间内降低了OOM概率，但是会挤占其它的线程空间，因为整个空间是有限的。
  • 垃圾回收是否涉及到虚拟机栈？
    • 不会
  • 方法中定义的局部变量是否线程安全？
    • 具体问题具体分析。如果对象是在内部产生，并在内部消亡，没有返回到外部，那么它就是线程安全的，反之则是线程不安全的。
笔记

何为线程安全？

  • 如果只有一个线程才可以操作此数据，则必是线程安全的。
  • 如果有多个线程操作此数据，则此数据是共享数据。如果不考虑同步机制的话，会存在线程安全问题。
运行时数据区是否存在Error是否存在GC
程序计数器否否
虚拟机栈是（SOE）否
本地方法栈是否
方法区是（OOM）是
堆是是