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（Dynamic Linking）(或指向运行时常量池的方法引用)
• 方法返回地址（Return Address）（或方法正常退出或者异常退出的定义）

• 一些附加信息

  
  
  image.png

局部变量表

• 局部变量表也被称之为局部变量数组或者本地变量表
• 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，以及returnAdress类型
• 由于局部变量表示建立在线程的栈上，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变的大小的
• 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
• 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

Slot（槽）

• 局部变量表最基本的存储单元是Slot（变量槽）
• 局部变量表里，32位以内的类型只占用一个solt（包括returnAdress类型），64位的类型(long和double)占用两个solt
• JVM会为局部变量表中的每一个Solt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
• 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Solt上
• 如果需要访问局部变量表中的一个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solt处，其余参数按照参数表顺序继续排列
• 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槽位，从而达到节省资源的目的

• 局部变量在使用之前必须显示的赋值，因为局部变量表没有默认初始化操作。

  
  
  solt重复利用的例子

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者间接引用的对象都不会被回收。

操作数栈

• 每一个独立的栈帧中除了包含局部变量表以外，还包含一个先进后出的操作数栈，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）/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。使用它们后再将结果压入栈。
  • 比如：执行复制、交换、求和等操作
• 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。
• 操作数栈中的元素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在此验证 。
• 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。
• 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(push)和出栈(pop)操作来完成一次数据访 问。

因为操作数数存储在内存中的，因此频繁的读/写操作必然会影响执行速度。为了解决这个问题，引入了栈顶缓存技术：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。

动态链接

• 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一个其他方法时，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。
  
  image.png
  
  常量池的作用：为了提供一些符号和常量，便于指令的识别。

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在进JVM内部时，如果被调用的目标方法在编译器可知，且运行期间保持不变时。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器无法被确定下来，也就是说，只能够在程序运行期间被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。

• 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，只能在程序运行期间根据实际的类型绑定相关的方法，这种绑定方式也就称之为晚期绑定。
• 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。

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<init>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：
  5. invokedynamic：动态解析出需要调用的方法，然后指向

前四条指令固话在虚拟机内部，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。

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，如果在过程结束：如果不通过类型 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，如果通过则返回这个方法的直接引用，查找过，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，如果始终没哟找到合适的方法，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。

• 在面向对象的编程中，会很频繁的使用到动态分配，如果在每次动态分配的过程中都要重新再类的方法元数据中搜索合适的目标的话就可能会影响到执行效率。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）。使用索引表来代替查找。
• 每个表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。

方法返回地址

• 存放调用改方法的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改方法被调用的位置。方法正常退出时，调用者的pc计数器的值作为返回地址，即调用改方法的指令的下一条指令的地址。而通过异常退出的，返回地址要通过异常表来确定，栈帧中一般不会保存这部分信息。
• 1、执行引擎遇到任意-“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、 freturn、 dreturn以及areturn, 另外还有一个return指令供声明为void的方法、实例初始化方法、类和接0的初始
    化方法使用。
• 2，在方法执行的过程中遇到了异常(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。

本质上，方法的退出就是当前栈帧出栈的过程。此时，需要回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。

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。

五个面试题：

1. 举例栈溢出的情况？（StackOverflowError）
   • 通过-Xss设置栈的大小； OOM（OutOfMemory）
2. 挑战栈大小，就能保证不出现溢出吗？
   • 不能
3. 分配的栈内存越大越好吗？
   • 不是
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
   • 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，则此数据时共享数据。如果不考虑同步机制的话会存在线程安全问题。