JVM之方法区与栈

标签：调用虚拟机局部变量指令 JVM 方法栈帧

一、方法区

JVM之方法区与栈_虚方法

所有线程共享
静态变量，常量，类信息（构造方法，接口定义）运行时的常量池也存在方法区中，但是实例变量存在堆内存中，和方法区无关
注意：
方法区是被所有线程共享，所有字段和方法字节码，以及一些特殊方法，如构造函数,接口代码也在此定义,简单说，所有定义的方法的信息都保存在该区域,此区域属于共享区间;
静态变量、常量、类信息(构造方法、接口定义、普通方法)、运行时的常量池存在方法区中，但是实例变量（普通变量）存在堆内存中，和方法区无关
方法区：绝对不是放方法的地方，他是存储的每一个类的结构信息(比如static)
永久代和元空间的解释：
方法区是一种规范，类似于接口定义的规范：List list = new ArrayList(); 把这种比喻用到方法区则有：

java 7中：方法区 f = new 永久代(); java 8中：方法去 f = new 元空间();

二、栈

栈：先进后出，后进先出，堆：先进先出，后进后出
线程结束，栈内存释放
主管程序的运行
存放基本类型，实例方法，对象引用…
栈帧：父帧子帧，每一个在执行的方法都会产生栈帧
栈满报错：StackOverflowError

注意：
栈是运行时的单位，堆是存储的单位。

即，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，放在哪里。

栈是线程私有，不存在垃圾回收
虚拟机栈的生命周期同线程一致
栈帧的概念：java中的方法被扔进虚拟机的栈空间之后就成为“栈帧”，比如main方法，是程序的入口，被压栈之后就成为栈帧。
栈的作用：

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。

JVM之方法区与栈_jvm_02

栈运行原理

不同线程所包含的栈帧是私有的，不允许存在相互引用，即不可能在一个栈帧之中引用另一个线程的栈帧。
如果当前方法调用了其他方法，被调用方法返回之际，当前栈帧会传回此被调用方法的执行结果给前一个栈帧（调用者方法），接着，虚拟机会丢弃当前栈帧（被调用方法的栈帧），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，另一种是如果出现未经捕捉的异常，则已抛出异常的形式返回。不管使用哪种方式，都会导致栈帧被弹出。

栈帧的内部结构

1. 局部变量表

JVM之方法区与栈_局部变量_03

StartPC：变量的作用域起始字节码指令位置，Length：作用域长度；StartPC+Length=总字节码指令数

局部变量表也被称之为局部变量数组或者本地变量表。
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
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，包括8种基本数据类型、对象引用以及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。对于一个函数而言，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，局部变量表随着方法栈帧的销毁而销毁。
局部变量表最基本的存储单元是Slot（变量槽），其中，32位以内的类型只占一个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也被转化为int，0表示false,非0表示true。

JVM会为每一个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，如果要访问一个64bit的局部变量值时，只需要使用两个slot中的第一个slot的索引即可。如果当前栈帧是由构造方法或者实例方法创建的，那么该对象引用this将会放在index=0的slot处，其余的参数按照参数表顺序继续排列，这也就解释了为什么静态方法中不可以引用this，因为this变量（当前对象的引用）不存在于静态方法的局部变量表中。此外，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量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。

JVM之方法区与栈_局部变量_04

在栈帧中，与性能调优关系最为密切的部分就是局部变量表。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的根节点，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。

静态变量与局部变量的对比及小结

变量的分类：

按照数据类型分：

①基本数据类型;
②引用数据类型；

按照在类中声明的位置分：

①成员变量：在使用前，都经历过默认初始化赋值

static修饰：类变量：类加载链接的准备preparation阶段给类变量默认赋0值——>初始化阶段initialization给类变量显式赋值即静态代码块赋值；
不被static修饰：实例变量：随着对象的创建，会在堆空间分配实例变量空间，并进行默认赋值

②局部变量：在使用前，必须要进行显式赋值的！否则，编译不通过

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的操作数栈，在方法执行过程中，根据字节码指令，往操作数栈中写入数据或提取数据，即操作数栈的入栈/出栈。例如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，使用他们后再把结果压入栈。（如字节码指令bipush操作）

比如：执行复制、交换、求和等操作

如果说Java虚拟机的解释引擎是基于栈的执行引擎，其中栈指的就是操作数栈。

操作数栈主要用于保存计算过程中的中间结果，同时作为计算过程中的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。
栈中任何一个元素都是可以任意的Java数据类型，其中，32bit类型占用一个栈单位深度，64bit类型占用两个。
操作数栈不同于局部变量表，并非采用访问索引的方式来进行数据访问，而是通过标准的入栈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。

操作数栈代码追踪

结合上图结合下面的图来看一下一个方法（栈帧）的执行过程

①15入栈；②存储15，15进入局部变量表

注意：局部变量表的0号位被构造器占用，这里的15从局部变量表1号开始

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③压入8；④8出栈，存储8进入局部变量表；

JVM之方法区与栈_Java_06

⑤从局部变量表中把索引为1和2的是数据取出来，放到操作数栈；⑥iadd相加操作

JVM之方法区与栈_jvm_07

⑦iadd操作结果23出栈⑧将23存储在局部变量表索引为3的位置上istore_3

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栈顶缓存技术ToS（Top-of-Stack Cashing）

基于栈式架构的虚拟机所使用的零地址指令（即不考虑地址，单纯入栈出栈）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.动态链接（或指向运行时常量池的方法引用）

运行时常量池位于方法区（注意： JDK1.7 及之后版本的 JVM 已经将运行时常量池从方法区中移了出来，在 Java 堆（Heap）中开辟了一块区域存放运行时常量池。）

每一个栈帧内部都包含一个指向运行时常量池（运行时常量池是在方法区里的）中该栈帧所属方法的引用。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它方法时，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。

常量池的作用就是为了提供一些符号和常量以便于指令的识别，以节约内存。

JVM之方法区与栈_局部变量_09

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

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。
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。

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

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。
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。

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，集成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性，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。

虚方法和非虚方法

子类对象的多态性使用前提：
①类的继承关系（父类的声明）②方法的重写（子类的实现）

实际开发编写代码中用的接口，实际执行是导入的的三方jar包已经实现的功能

非虚方法

如果方法在编译器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（实例已经确定，this()表示本类的构造器）、父类方法（super调用）都是非虚方法

虚方法

其他所有体现多态特性的方法称为虚方法

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，解析阶段确定唯一方法版本；
3.invokevirtual调用所有虚方法；
4.invokeinterface：调用接口方法；
动态调用指令（Java7新增）：
5.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

其中invokevirtual（final修饰的除外，JVM会把final方法调用也归为invokevirtual指令，但要注意final方法调用不是虚方法）invokeinterface指令调用的方法称称为虚方法。

/**
 * 解析调用中非虚方法、虚方法的测试
 */
class Father {
    public Father(){
        System.out.println("Father默认构造器");
    }

    public static void showStatic(String s){
        System.out.println("Father show static"+s);
    }

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

    public void showCommon(){
        System.out.println("Father show common");
    }

}

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

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

    public static void main(String[] args) {
        Son son = new Son();
        son.show();
    }

    //不是重写的父类方法，因为静态方法不能被重写
    public static void showStatic(String s){
        System.out.println("Son show static"+s);
    }

    private void showPrivate(String s){
        System.out.println("Son show private"+s);
    }

    public void show(){
        //invokestatic
        showStatic(" 大头儿子");
        //invokestatic
        super.showStatic(" 大头儿子");
        //invokespecial
        showPrivate(" hello!");
        //invokespecial
        super.showCommon();
        //invokevirtual 因为此方法声明有final 不能被子类重写，所以也认为该方法是非虚方法
        showFinal();
        //虚方法如下
        //invokevirtual
        showCommon();//没有显式加super，被认为是虚方法，因为子类可能重写showCommon
        info();

        MethodInterface in = null;
        //invokeinterface  不确定接口实现类是哪一个 需要重写
        in.methodA();

    }

    public void info(){

    }

}

interface MethodInterface {
    void methodA();
}

关于invokedynamic指令

JVM字节码指令集一直比较稳定，一直到java7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，反之则是动态类型语言。
直白来说 静态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
Java是静态类型语言（尽管lambda表达式为其增加了动态特性），js，python是动态类型语言.

Java：String info = "test";//静态语言

JS：var name = "test“；var name = 10;//动态语言

Pythom: info = 130;//更加彻底的动态语言

方法重写的本质

找到操作数栈的第一个元素所执行的对象的实际类型，记作C。
如果在类型C中找到与常量池中的描述符、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。IllegalAccessError介绍 程序视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。
否则，按照继承关系从下往上依次对c的各个父类进行第二步的搜索和验证过程。
如果始终没有找到合适的方法，则抛出java.lang.AbstractMethodError异常。

虚方法表

在面向对象编程中，会很频繁期使用到动态分派，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。
那么虚方法表什么时候被创建？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会把该类的虚方法表也初始化完毕。

4.方法返回地址（或方法正常退出或者异常退出的定义）

存放调用该方法得到PC寄存器的值

一个方法的结束，有正常执行完成和出现未处理的异常从而非正常退出两种方式，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地址。如果是异常退出的，返回地址是要通过异常表来确定的，栈帧中一般不会保存这部分的信息。

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。

5.一些附加信息

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。（很多资料都忽略了附加信息）

开发过程中，关于虚拟机栈可能的异常？

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虚拟机栈，拿每一个线程的Java虚拟机栈容量可以再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虚拟机会抛出一个StackOverflowError的异常。在开发过程中，不合理的递归方法就会导致这个问题。
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OutOfMerroyError异常。

public class  Test{

    public static  void  m(){
        m();
    }

    public static void main(String[] args) {

        System.out.println("111");
        //Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
        m();
        System.out.println("222");

    }
}

/*
*output:
* 111
* Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
* */

注意：
StackOverflowError是一个“错误”，而不是“异常”。

关于Error我们再多说一点，上面的讨论不涉及Exception
首先Exception和Error都是继承于Throwable 类，在 Java 中只有 Throwable 类型的实例才可以被抛出（throw）或者捕获（catch），它是异常处理机制的基本组成类型。
Exception和Error体现了JAVA这门语言对于异常处理的两种方式。
Exception是java程序运行中可预料的异常情况，咱们可以获取到这种异常，并且对这种异常进行业务外的处理。
Error是java程序运行中不可预料的异常情况，这种异常发生以后，会直接导致JVM不可处理或者不可恢复的情况。所以这种异常不可能抓取到，比如OutOfMemoryError、NoClassDefFoundError等。
其中的Exception又分为检查性异常和非检查性异常。两个根本的区别在于，检查性异常必须在编写代码时，使用try catch捕获（比如：IOException异常）。非检查性异常在代码编写使，可以忽略捕获操作（比如：ArrayIndexOutOfBoundsException），这种异常是在代码编写或者使用过程中通过规范可以避免发生的。

三、虚拟机栈的相关面试题

1.举例栈溢出的情况？（StackOverflowError）

递归调用等，通过-Xss设置栈的大小；

2.调整栈的大小，就能保证不出现溢出么？

不能如递归无限次数肯定会溢出，调整栈大小只能保证溢出的时间晚一些，极限情况会导致OOM内存溢出（Out Of Memery Error）注意是Error

3.分配的栈内存越大越好么？

不是，会挤占其他线程的空间

4.垃圾回收是否会涉及到虚拟机栈？

不会

5.方法中定义的局部变量是否线程安全？

具体问题具体分析，如果是线程内部产生内部消亡的，那一定是线程安全的，如果是外部传入或者是要返回到外部的局部变量，是线程不安全的，就是要注意局部变量的生命周期。

注意：
HotSpot：如果没有明确指明，JDK的名字就叫HotSpot

三种JVM
SUN 公司 - HotSpot （使我们主要研究的）
BEA 公司 JRocket
IBM 公司 J9
元数据：描述数据的数据（即模板，也就是“大Class”）
上面的关系图的一个实例为下图：

JVM之方法区与栈_Java_10

JVM之方法区与栈_Java_11

标签：调用,虚拟机,局部变量,指令,JVM,方法,栈帧
From： https://blog.51cto.com/u_15949251/6030920

JVM之方法区与栈