1.虛擬機堆疊

1.1概述

作用：主管java程式的執行，存盤的是堆疊幀(稍后介紹)，堆疊幀主要存盤區域變數，部分結果，以及方法的呼叫和回傳
特點：

• 堆疊是一種快速有效的分配存盤方式，訪問速度僅次于程式計數器
• jvm對虛擬機堆疊的操作只有兩個，伴隨著方法的執行入堆疊、結束出堆疊
• 不存在垃圾回收問題

堆疊中可能會出現的問題
根據java虛擬機規范，虛擬機堆疊的大小是動態或者固定不變的

1. 如果采用固定的堆疊，每個執行緒的虛擬機堆疊可以在執行緒創建的時候獨立完成，如果執行緒請求分配的堆疊容量超過了虛擬機堆疊允許的最大容量，會拋出StackOverflowError(堆疊溢位)
2. 如果采用動態的堆疊，在嘗試擴展的時候無法申請足夠的記憶體，或者在創建新執行緒時沒有足夠的記憶體創建對應的虛擬機堆疊，就會拋出OutOfMemoryError(記憶體溢位)

1.2堆疊幀的存盤單位

• 每個執行緒都有自己的堆疊，堆疊中的資料都以**堆疊幀(Stack Frame)**的形式存在
• 在當前執行緒上正在執行的方法都有各自對應的堆疊幀
• 堆疊幀是一塊記憶體區域、資料集，維護著方法執行程序中的各種資料資訊

1.3堆疊運行原理

1. jvm對堆疊的操作只有兩個，壓堆疊\出堆疊，遵循”FILO“原則
2. 一個正在運行的執行緒，只會有一個運行的堆疊幀，就是當前方法執行的當前堆疊幀，也叫堆疊頂堆疊幀，與當前堆疊幀對應的就是當前方法，與當前方法對應的就是當前類
3. 執行引擎運行的所以位元組碼檔案只對當前堆疊幀進行操作
4. 不同執行緒的堆疊幀是不允許相互參考的，所以不可能在一個堆疊幀中參考另一個執行緒的堆疊幀
5. 如果方法中呼叫了其他方法，對應的堆疊幀也會創建出來，成為新的當前堆疊幀，放在堆疊頂
6. 如果方法中呼叫了其他方法，方法回傳的時候，當前堆疊幀會回傳一個執行結果給前一個堆疊幀，隨后虛擬機會丟棄當前堆疊幀，讓前一個堆疊幀成為當前堆疊幀
7. java中有兩種方法回傳方式：1，return，2，拋例外，兩種方式都會導致堆疊幀被彈出
8. idea在執行debug的時候，可以在Frames視窗各個堆疊幀的壓堆疊、出堆疊

1.4堆疊幀的內部結構

1. 區域變數表
2. 運算元堆疊
3. 動態鏈接
4. 方法回傳地址
5. 其他附加資訊
   

1.4.1區域變數表

主要用于存盤方法引數和方法體中的區域變數
可以存盤的型別有：

1. java基本資料型別
2. 物件參考(可能是指向物件地址的參考指標，或是指向代表物件的句柄或相關地址)
3. returnAddress型別(指向方法回傳的位元組碼指令，已被例外表取代)

由于區域變數表是存在執行緒的堆疊上的，是執行緒私有的資料，所以不存在資料安全問題
區域變數表的容量大小在編譯期就確定下來的，并保存在方法的Code屬性的maxmum local variables資料項中，運行期是不會改變表的大小的
方法嵌套呼叫的次數由堆疊的大小決定，一般情況下，堆疊越大，方法嵌套呼叫越多，

1.4.1.1槽 slot

• 區域變數表的基本單位是slot(變數槽)
• 在區域變數表中，32位的資料型別占用一個slot，64位則占用兩個slot

注：
byte，short，char，boolean(0表示false，1表示true)在存盤之前會轉為int
long和double占兩個slot

• jvm會為區域變數表中的每個slot分配一個索引，通過索引訪問對應的slot
• 如果需要訪問一個64位的區域變數時，只需要前一個索引即可，如(long型別的變數占用了a1，a2兩個slot，此時需要訪問a1即可訪問到該變數)
• 如果當前堆疊幀是由構造方法或實體方法創建的，那么this將會存放在index為0的slot中(此處引出一個問題：靜態方法為什么不能參考this？就是因為this變數不存在當前方法的區域變數表中)
• 在堆疊幀中，與性能調優關系最為密切的就是區域變數表，在方法執行時，虛擬機會使用區域變數表來完成方法的傳遞
• 區域變數表中的變數也是重要的垃圾回收根節點，只要被區域變數表中直接或間接參考的物件都不會被回收
• slot是可以重用的
  
  上圖：區域變更表中有四個變數
  注：至于這里為什么this沒有在第一個位置，是因為在執行構造方法之前會先執行非靜態代碼塊
  
  上圖：但是區域變數最大槽數只有3，因為代碼塊中變數b使用完就銷毀了，但是b的slot還存在，所以就被變數c重用了
  拓展:圖片中的方法為構造方法，在位元組碼檔案中構造方法叫init，靜態代碼塊叫clinit，而非靜態代碼塊就沒別的名字，因為它里面的區域變數會被存在init方法對于堆疊幀中

1.4.2運算元堆疊(LIFO)

• 在方法執行程序中，根據位元組碼指令，對運算元堆疊寫入(入堆疊push)和提取(出堆疊pop)資料，
• 某些位元組碼指令將值寫入運算元堆疊，某些指令將值取出堆疊，再進行相關操作，比如加減乘除，結果值也會放入運算元堆疊，

概述：

1. 運算元堆疊，主要用于保存計算程序的中間結果，同時作為變數計算后的臨時的存盤空間
2. 運算元堆疊是jvm執行引擎的一個作業區，當一個方法執行時，新的堆疊幀出現，此時這個運算元堆疊是空的
3. 運算元堆疊都會有一個明確的大小來用于存盤數值，所需要的最大容量再編譯器就定義好了，在方法的Code屬性的max_stack中
4. 堆疊中的元素可以是java中的任意資料型別，與slot一樣(32位占一個單位，64占兩個單位)
5. 如果被呼叫的方法有回傳值，那回傳值會被壓到當前堆疊幀的運算元堆疊中，并通知程式計數器下一條需要執行的位元組碼指令
6. jvm的解釋引擎是基于堆疊的執行引擎，堆疊指的是運算元堆疊

1.4.3動態鏈接(指向常量池的方法參考)

靜態系結：當一個位元組碼檔案被加載到虛擬機時，如果其呼叫的方法在編譯器可知，并且在運行期保持不變
動態系結：相反，如果在編譯器不能確定下來，只能在運行期將符號參考轉為直接參考

• 每個堆疊幀中都包含一個指向常量池中該堆疊幀所屬方法的參考，目的就是為了實作動態鏈接
• 在java檔案被編譯成位元組碼檔案時，所以變數和方法參考都會作為符號參考保存在Class檔案的常量池中
• 比如：描述一個方法呼叫其他方法時，就是通過常量池中指向方法的符號參考來表示，動態鏈接的作用就是將這些符號參考轉換為呼叫該方法的直接參考
  

1.4.3.1jvm時如何呼叫方法的

1. 方法呼叫階段的唯一任務就是找到需要呼叫發方法，暫時還不涉及內部運行程序
2. 方法在Class檔案中存盤的是符號參考，而不是在運行時的直接參考，也就是需要在類加載階段，甚至是運行期才能確定方法的直接參考

1.4.3.1.1在jvm中方法的符號參考轉化為直接參考跟系結機制有關
系結機制有早期系結(靜態系結)、晚期系結(動態系結)，系結是一個字，方法或類的符號參考轉為直接參考的程序，只會發生一次

1.4.3.1.2虛方法和非虛方法

1. 在編譯期可以確定下來，在運行期不變，稱為非虛方法，比如，靜態方法、final方法、私有方法、父類方法，構造方法都是非虛方法
2. 其他方法叫虛方法

1.4.3.1.3虛方法表

• 為了提高性能，jvm在類的方法區建立了一個虛方法表，用于存放虛方法，因為在面向物件編程中，會頻繁設計動態分配，每次動態分配都在類的方法元資料中查找合適的目標，
• 每個類都會有一個虛方法表，存放著各個方法的實際入口
• 虛方法表會在類加載的連接(驗證、準備、決議)階段開始初始化，類的變數初始值準備完成之后，虛方法表也初始化完畢

1.4.4f方法回傳地址

• 用來存放呼叫該方法的程式計數器值

• 方法的兩種回傳方式，不管是那種，在方法推出后都會回傳到呼叫該方法的位置

   1.正常回傳時：呼叫者的程式計數器的值作為回傳地址，就是呼叫該方法的指令的下一條指令地址	
   2.例外回傳時：通過例外表來確定的，堆疊幀中一般不會保存這部分資訊
  

• 實際上，方法的退出就是當前堆疊幀出戰的程序，此時需要回到上一個方法，讓方法執行下去

• 正常回傳與例外回傳的區別在于：例外回傳不會給上層呼叫者任何的回傳資訊

1.4.5附帶資訊

堆疊幀中還可以攜帶一些jvm相關資訊，比如，對程式除錯支持的資訊，但是這些資訊取決于虛擬機的實作