[Java知识库]JVM 栈的相关知识

Error、GC存在表

PC寄存器

两个问题：

使用PC寄存器储存字节码指令地址有什么作用

为什么使用PC寄存器记录当前线程的执行地址？

因为CPU需要不断地切换各种线程，这时候切换回来以后就得知道从那开始继续执行，JVM的字节码解释器就需要通过盖面PC寄存器的值来明确吓一跳应该执行什么样的字节码指令

PC寄存器为什么会被设定为线程私有？

在多线程的情况下CPU不会断的切换线程，会造成线程的终端或者恢复，为了准确的纪录各个线程正在执行的当前字节码指令地址，最好的办法自然是为每个线程的分配一个PC寄存器，这样子一来，各个线程之间便可以进行独立计算，从而不会出现相互干扰的情况。

由于CPU时间片轮限制，众多线程在并发执行过程中，任何一个确定的时刻，一个处理器或者多喝处理器中的一个内核，指挥执行某一个线程中的一条指令。

这样子必然导致经常终端或者恢复，每个线程在创建后，都会产生自己的程序计数器和栈帧，程序计数器在各个线程之间互相不干扰。

虚拟机栈

虚拟机栈概述

优点：

• 跨平台
• 指令集小
• 编译器容易实现

缺点：

• 性能下降快
• 实现同样的功能需要更多的指令

栈是运行时的内存，堆是储存的单元

栈解决的是程序运行问题，即程序如何执行，或者说如何处理数据

堆解决的是数据储存问题，即数据怎么放，放在哪里

Java虚拟机栈是什么：

1. Java虚拟机栈，早期也叫做虚拟机栈，每个线程在创建的时候都会创建一个虚拟机栈，其内部保存一个个的栈帧，对应着一次次的Java方法调用

2. 线程是私有的

生命周期

生命周期和线程一致

作用

主管Java程序的运行，他保存方法的局部变量，部分结果，并参与方法的调用与返回

优点：

• 栈是一种快速有效的分配储存方式，访问速度仅次于程序计数器
• JVM直接对Java栈的操作只有两个
  • 每个方法执行，伴随着进栈
  • 执行结束之后出栈工作
• 对于栈来说不存在垃圾回收机制，但是存在OOM 表示存在异常

Java中存在的异常

1. 栈中可能出现的异常
   1. Java 虚拟机规范允许Java栈的大小是动态的或者是规定不变的
      • 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虚拟机就会抛出一个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、没有足够的内存区创建对应的虚拟机栈，那么Java虚拟机将会抛出一个OutOfMemortError（OOM）异常

如何测试 OOM异常（内存溢出问题）?

我们通过设置JVM的内存大小从而实现是否存在OOM异常

public class StackError {
    static int a =1;
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(a++);
        main(args);
    }
}

在我们不进行任何限制的时候，我们的结果为：9894

在加入了限制：-Xss256k 之后，发现输出的最后结果发生了改变，变成了2849

栈的储存 单位 不存在CG

栈中储存的东西：

• 每个线程都有自己的栈，栈中的数据都是以栈帧为基本单位进行存储
• 在这个线程上正在执行的每个方法都各自对应一个栈帧
• 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

栈运行原理：

• JVM直接对Java栈进行的操作只有两个，就是对栈帧的压栈和出战
• 在一条活动线程中和，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是有效的，被称为当前栈帧，与当前栈帧相对应的方法就是当前方法，定义这个给方法的类被称为当前类
• 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，成为当前栈帧
• 不同线程中所包含的栈帧是不允许存在相互引用的，即不可能在一个栈桢中引用另一个线程的栈帧（每个Java栈都是一个线程，不同的线程的内存是不共享的，但是相同的线程内存是共享的）
• 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钱一个栈桢，接着虚拟机就会丢弃当前栈帧，是的钱一个栈桢重新成为当前栈帧
• Java方法有两种返回函数的方法，不管是哪种方式，都会导致战阵被弹出
  • 一种是正常的函数返回，使用return指令
  • 一种是抛出异常

栈帧的内部结构

• 局部变量表

  • 局部变量表是被称为局部变量数组或者是本地变量表
  • 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部的局部变量，这些数据类型包括各种类基本数据类型、对象引用、以及returnAddress类型
    • 基本数据类型基本上都是数字，boolean类型用0表示false，1表示true
  • 由于局部变量是建立在线程的栈上，是线程的私有数据，不存在数据安全问题
  • 局部变量所需的容量大小是编译期确定下来的，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
  • 方法嵌套调用的次数由栈的大小决定，一般来说，栈越大，方法嵌套调用的次数越多，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，他的栈帧就越大，以满足方法调用所需的信息增大的需求，进而函数调用会占用更多的栈空间，导致其嵌套调用次数会减小
  • 局部变量表中只在当前方法调用中有效，再执行方法时，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，随着方法栈真的销毁，局部变量表也会随之销毁。

  slot的理解

  • 参数值的存放总在局部变量数组的index0开始，到数组长度-1的索引结束
  • 局部变量表，最基本的储存单元是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类型变量
  • 在局部变量表中，32位以内的数据类型只占用一个Slot（包括returnAddress类型），64位的类型（long和double）占用两个slot
    • byte、short、char再储存前会被转换为int，boolean也会被转换为int
    • 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，通过这些索引即可成功访问到局部变量表中指定的局部变量值
    • 当一个实例对象被调用的时候，他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的一个64bit的局部变量内部值，只需要使用前一个索引即可（比如说long 的索引时 4 5，我们只需要使用4这个索引即可）
    • 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index0为0的slot出，其余的参数将会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复利用了,如果一个局部变量过了其作用域，那么在其他作用域之后申明新的局部变量就很有可能会重复利用过期的局部变量的槽位，从而实现节约资源的目的
  • 补充：
    • 在栈帧中，与性能调优关系最为密切的部分是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（或表达式栈） 实现方法： 底层为数组形式的栈

  • 每一个对立的栈帧中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，也可以称之为表达式栈
  • 操作数栈，及方法执行过程中，根据字节码指令，往栈中写入数据或者提取数据，即入栈、出栈
  • 如果被调用的方法带有返回值的话，其返回值将会被压入到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表严格匹配，这由编译器在执行编译器期间进行验证，同时在类加载过程中的类检验简短的数据流分析阶段要再次进行验证。
  • Java虚拟机的解释引擎是基于栈的执行引擎，其中的栈就是操作数栈.
  • 操作数栈，主要是用于保存计算过程中的中间结果，同时作为计算过程中变量临时的储存结果
  • 操作数栈就是JVM执行引擎的一个工作区间，当一个方法开始执行的时候，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据，其所需的最大深度在编译期就已经定义好了，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的类型占用了两个栈单位深度
  • 操作数栈并非采用访问索引的方式进行数据访问，而是只通过标准的入栈、出战操作完成一次数据访问

• 动态链接（或指向运行时常量池的方法引用）

  • 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，包括这个引用的目的就是为了支持当前方法的的代码能够实现动态连接，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。
    • 比如说：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这些符号引用转换为调用方法的直接引用

• 方法返回地址（或方法正常退出或者异常退出的定义）

  • 存放调用该方法的PC寄存器的值
  • 一个方法的结束，有两种方式：
    • 正常执行结束
    • 出现未处理的异常，非正常退出
  • 无论哪种方式退出，在方法推出之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寄存器的值作为返回地址，及调用该方法的指令的下一条指令的地址。而异常退出的，返回地址是要通过异常表来确定，栈帧中一般不会存放着部分信息
    • 正常退出与非正常退出的区别：通过异常完成退出的不会给它的上层调用者产生任何的返回值
  • 正常完成出口返回的指令类型：
    • ireturn： 返回值是boolean、byte、char、short和int类型
    • lreturn： 返回值是long类型
    • freturn：返回类型是float类型
    • dreturn：返回类型是double
    • areturn：返回类型是引用类型
    • return ：生命是void、实例初始化、类和接口的初始化方法使用
  • 异常退出：
    • 没有在方法中找到对应的异常处理器就直接异常退出
    • 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，方便再发生异常的时候找到异常处理的代码

• 一些附加信息

  • 栈中还允许携带与Java虚拟机实现相关的一些附加信息。例如：对程序调试提供的信息

栈顶缓存技术

由于操作数栈实在内存中进行的，因此频繁的执行内存读取/写入操作必然会影响执行速度，为了解决这个问题，hotSpot引入了栈顶缓存技术，将栈顶元素全部缓存到物理CPU的寄存器中，以此降低堆内存的读写次数，提升执行引擎的执行效率

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和方法的绑定机制相关

• 静态链接
  • 当一个字节码文件被装载到JVM内部时，如果调用的目标方法在编译器可知，且运行期保持不变，这种情况将调用方法的符号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直接转换为直接引用，由于这种引用转换的过程中具备动态性，因此也被称之为动态链接

对应的方法绑定技术：早期绑定和晚期绑定。绑定是一个字段、方法或这类在符号引用被替换为直接引用的过程

• 早期绑定对应的是静态链接，在编译期就能够确定下来
• 晚期绑定对应的是动态链接，在编译期间无法确定下来，在运行期间确定下来

虚方法和非虚方法

• 非虚方法：
  • 如果方法在编译器就确定了具体的调用版本，这个版本在运行时时不可变的，这样的方法称之为非虚方法
  • 静态方法、私有方法、final方法、构造实例方法、父类方法都是非虚方法
  • 其他方法都称之为虚方法

虚拟机中提供的几条调用指令：

• 普通指令
  • invokestatic：调用静态方法，解析阶段确定唯一的版本
  • invokespecial： 调用方法、私有方法及其父类方法，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
• 动态调用指令
  • invokedynamic：动态解析出需要调用的方法，然后执行
    • 由于Java8出现了lambda表达式，invokedynamic指令的生成，在Java中才有了直接生成的方式

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扰，而invokedynamic指令则支持由用户确定方法版本，其中invokestatic指令和invokespecial指令调用的方法为非虚方法，其余的（final修饰除外）称之为虚方法

帧数据区

帧数据区：是 方法返回地址 动态链接 一些附加信息的合称