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[系统运维]JVM运行时数据区之虚拟机栈，本地方法栈和程序计数器

一. 运行时数据区概述

👑👑内存是非常重要的系统资源，是硬盘和CPU的中间仓库及桥梁，承载着操作系统和应用程序的实时运行。JVM内存布局规定了Java在运行过程中内存申请、分配、管理的策略，保证了JVM的高效稳定运行。不同的JVM对于内存的划分方式和管理机制存在着部分差异。

经典的JVM运行时数据区内存布局如下：在这里插入图片描述
📝📝Java虚拟机定义了若千种程序运行期间会使用到的运行时数据区，其中有一些会随着虚拟机启动而创建，随着虚拟机退出而销毁。另外一些则是与线程一一对应的，这些与线程对应的数据区域会随着线程开始和结束而创建和销毁。

下图中（虚拟机栈，本地方法栈，程序计数器）是线程私有的，（堆区和堆外内存包括元数据区和代码缓存）是线程共有的。
在这里插入图片描述

二. 程序计数器

程序计数器的介绍：

🌂🌂JVM中的程序计数寄存器(Program Counter Register) 中，Register 的命名源于CPU的寄存器，寄存器存储指令相关的现场信息。CPU只有把数据装载到寄存器才能够运行。

这里，并非是广义上所指的物理寄存器，或许将其翻译为PC计数器(或指令计数器)会更加贴切(也称为程序钩子)，并且也不容易引起一些不必要的误会。JVM中的PC寄存器是对物理PC寄存器的一种抽象模拟。

程序计数器的功能：

PC寄存器用来存储指向下一条指令的地址，也即将要执行的指令代码。由执行引擎读取下一条指令。

使用PC寄存器存储字节码指令地址有什么用呢?为什么使用PC寄存器记录当前线程的执行地址呢?

因为CPU需要不停的切换各个线程，这时候切换回来以后，就得知道接着从哪开始继续执行。

JVM的字节码解释器就需要通过改变PC寄存器的值来明确下一条应该执行什么样的字节码指令。

程序计数器的特点：

🐃🐃它是一块很小的内存空间，几乎可以忽略不记。也是运行速度最快的存储区域。
🐕🐕在JVM规范中，每个线程都有它自己的程序计数器，是线程私有的，生命周期与线程的生命周期保持一致。
🐊🐊任何时间一个线程都只有一个方法在执行，也就是所谓的当前方法。程序计数器会存储当前线程正在执行的Java方法的JVM指令地址；或者,如果是在执行native方法，则是未指定值(undefned) 。
🐆🐆它是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。
🐪🐪字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令。
🐅🐅它是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOtMemoryError情况的区域。

为什么程序计数器会被设定为线程私有的呢？

我们都知道所谓的多线程在一个特定的时间段内只会执行其中某一个线程的方法，CPU会不停地做任务切换，这样必然导致经常中断或恢复，如何保证分毫无差呢?

🐂🐂为了能够准确地记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一个线程都分配一个PC寄存器，这样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。

三. 本地方法栈

什么是本地方法 ?

简单地讲，一个Native Method就是一个Java调用非Java代码的接口。

本地方法: 在定义一个native method时，并不提供实现体该方法的实现由C/C++语言实现。

//好比定义java中的接口一样，自己不用实现
public native sleep();

当某个线程调用一个本地方法时，它就进入了一个全新的并且不再受虚拟机限制的世界。它和虚拟机拥有同样的权限。

本地方法可以通过本地方法接口来访问虚拟机内部的运行时数据区。
它甚至可以直接使用本地处理器中的寄存器
直接从本地内存的堆中分配任意数量的内存。

为什么要有本地方法？

有时Java应用需要与Java外面的环境交互（例如：操作系统或某些硬件交换信息时），这是本地方法存在的主要原因。

本地方法栈：

Java虚拟机栈用于管理Java方法的调用，而本地方法栈用于管理本地方法的调用。

本地方法栈特点：

🐩 🐩 本地方法栈，也是线程私有的。
🐖🐖允许被实现成固定或者是可动态扩展的内存大小。
🐓🐓如果线程请求分配的栈容量超过本地方法栈允许的最大容量，Java虚拟机将会抛出一个stackOverflowError 异常。
🐆🐆如果本地方法栈可以动态扩展，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本地方法栈，那么Java虛拟机将会抛出一个OutOfMemoryError异常。

注意：

并不是所有的JVM都支持本地方法。因为Java虚拟机规范并没有明确要求本地方法栈的使用语言、具体实现方式、数据结构等。如果JVM产品不打算支持native方法，也可以无需实现本地方法栈。

在Hotspot JVM中，直接将本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

四. 虚拟机栈

虚拟机栈的基本内容

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。

2.堆栈之间的区别

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。

3.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) ，对应着一次次的Java方法调用。是线程私有的

生命周期:生命周期和线程一致。

作用: 主管Java程序的运行，它保存方法的局部变量、部分结果，并参与方法的调用和返回。
在这里插入图片描述
栈的特点(优点)

栈是一种快速有效的分配存储方式，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:
1.每个方法执行，伴随着进栈(入栈、压栈)
2.执行结束后的出栈工作
对于栈来说不存在垃圾回收问题

4. 栈中可能出现的异常

🐢🐢因为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。所以就会出现两种可能。

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。

// 设置栈大小 -Xss256k
public class JavaVMStackSOF {
    private  int stackLength=1;

    public void stackLeak(){
        stackLength++;
        stackLeak();
    }

    public static void main(String[] args) {
        JavaVMStackSOF oom = new JavaVMStackSOF();

        try {
            oom.stackLeak();
        } catch (Throwable e) {
            System.out.println("stack length:"+ oom.stackLength);
            throw e;
        }

    }
}

在这里插入图片描述
2.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OytOfMemloryError 异常。

//设置栈大小为 -Xss4M
public class JavaVMStackOOM {
    private void dontStop(){
        while (true){}
    }

    public void stackLeakByThread(){
        while (true){
            Runnable task=()->{
              dontStop();
            };
            new Thread(task).start();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        JavaVMStackOOM oom = new JavaVMStackOOM();
        oom.stackLeakByThread();
    }
}

在这里插入图片描述

虚拟机栈的存储单位

1.栈中存储什么?

🐳🐳栈中存储的都是一个一个的方法栈帧。

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各自对应一个栈帧(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。

2.栈运行原理

🐤🐤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”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) ，与当前栈帧相对应的方法就是当前方法(CurrentMethod)，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，成为新的当前帧。
在这里插入图片描述
🐞🐞不同线程中所包含的栈帧是不允许存在相互引用的，即不可能在一个栈帧之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。

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");
    }

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

当前栈帧对应的方法->methodA
当前栈帧对应的方法->methodB
当前栈帧对应的方法->methodA

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。

3.栈帧的内部结构
在这里插入图片描述
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(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.

局部变量表( local variables)

1.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) ，以及返回地址类型(returnAddress)。

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。

2.局部变量的表特点

🐝🐝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。

3.Slot的理解

什么是Slot：局部变量表中最基本的存储单元就是Slot (变量槽)

变量类型占用的Slot数

变量类型	占用的Slot数
byte转为int	1
short转为int	1
char转为int	1
boolean转为int	1
int	1
float	1
double	2
long	2
引用类型(reference)	1
returnAddress类型	1

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。

🐑🐑Slot特点

JVM会为局部变量表中的每一个slot都分配一个访问索引，通过这个素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slot处，其余的参数按照参数表顺序继续排列。

public void test(int a){
        long b=a+1;
        String s="hello world";
    }

该方法的局部变量表为
在这里插入图片描述
4.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。

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b就会复用a的槽位
            int b=0;
        }
    }

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。

操作数栈

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)。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。

🐻🐻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
在这里插入图片描述

🐒🐒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(push)和出栈(pop)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+局部变量表案例分析

 public void test(){
        byte i=15;
        int j=8;
        int k=i+j;
    }
 字节码：
 
 0 bipush 15  //将15入栈
 2 istore_1  //把15存入局部变量表为索引为1的位置
 3 bipush 8  //把8入栈
 5 istore_2  //把8存入局部变量表索引为2的位置
 6 iload_1   //从局部变量表中取出15放入栈顶
 7 iload_2   //从局部变量表中取出8放入栈顶
 8 iadd      //把栈15和8相加
 9 istore_3  //把结果23放入局部变量表索引为3的位置
10 return

图解过程如下：
在这里插入图片描述

栈顶缓存技术

问题分析

👺 👺 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。

问题解决

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：将栈项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。.

一些附加信息

😽😽栈帧中还允许携带与Java虛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。

动态链接( Dynamic Linking)

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。

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。

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。

public class CurrentFrameTest {
    public void methodA() {
        System.out.println("当前栈帧对的方法- >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");
    }

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

下图中前面的就是符号引用
在这里插入图片描述
方法调用

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
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。

java和c++这类语言都支持封装、继承和多态等面向对象特性，因为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。

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–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。

虚方法与非虚方法

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。

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。

虚方法表示意图
在这里插入图片描述

方法返回地址( Return Address )

方法返回地址用于存放调用该方法的pc寄存器的值。

一个方法的结束，有两种方式:

正常执行完成：执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令(return)，会返回调用者的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。
注意： 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。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、类和接口的初始化方法使用。
出现未处理的异常，非正常退出：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。

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。

🙈🙈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。