JVM学习（八）：运行时数据区——虚拟机栈（字节码程度深入剖析）

目录

一、概述 

1.1 基于栈结构的虚拟机 

1.2 栈和堆

二、虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）详述

2.1 虚拟机栈介绍 

2.2 虚拟机栈作用

2.3 虚拟机栈特点 

三、栈中常见的异常 

3.1 StackOverflowError异常

3.2 OutOfMemoryError异常

四、栈的运行原理

4.1 栈的存储单位 

4.2 栈的运行原理 

五、栈帧的内部结构 

六、局部变量表（Local Variable Table）

6.1 局部变量表 

6.1.1 介绍 

6.1.2 实战

6.2 变量槽slot 

6.2.1 slot的介绍 

6.2.2 slot的测试 

6.2.3 slot的重复利用

6.2.4 类变量和局部变量的区别 

七、操作数栈（Operand Stack）

7.1 介绍 

7.2 原理 

7.3 字节码层面逐步分析

7.4 对方法返回值的处理

7.5 字节码中对int类型的理解

7.6 栈顶缓存技术（TOS，Top-of-Stack Cashing）

八、动态链接（Dynamic Linking，指向运行时常量池的方法引用） 

8.1 介绍 

8.2 演示 

8.3 常量池的作用

九、方法的调用

9.1 早期绑定与晚期绑定 

9.2 虚方法和非虚方法

9.2.1 概念 

9.2.2 字节码指令介绍

9.2.3 普通调用指令演示

9.2.4 invokedynamic指令介绍

9.2.5 invokedynamic指令演示 

9.3 方法重写的本质

9.4 虚方法表

9.4.1 虚方法表介绍 

9.4.2 虚方法表示例 

十、方法返回地址（Return Address）

10.1  方法返回地址介绍

10.2 方法的退出

10.2.1 正常完成出口 

10.2.2 异常完成出口

10.2.3 方法退出的本质

十一、一些附加信息 

十二、栈相关的面试题 

一、概述 

1.1 基于栈结构的虚拟机 

        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。

        基于栈设计的优点是跨平台，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。 

 1.2 栈和堆

        有不少Java开发人员一提到Java内存结构，就会非常粗粒度地将JVM中的内存区理解为仅存Java堆(heap) 和 Java栈(stack)，这是不正确的。

        栈是运行时的单位，而堆是存储的单位。

        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、放在哪儿。

二、虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）详述

2.1 虚拟机栈介绍 

        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。

      JVM直接对Java栈的操作只有两个：

1. 每个方法执行，伴随着入栈
2. 结束后出栈

        一个栈帧对应着一个方法。 

2.2 虚拟机栈作用

        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。

2.3 虚拟机栈特点 

• 线程私有
• 生命周期和线程一致
• 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
• 对于栈来说存在OOM问题，不存在垃圾回收问题

三、栈中常见的异常 

        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。

3.1 StackOverflowError异常

        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。我们可以使用参数-Xss选项来设置线程的最大栈空间，栈的大小直接决定了函数调用的最大可达深度。

        最常见的就是递归调用了：

public class StackErrorTest {
    public static void main(String[] args) {
        main(args);
    }
}

        我们设置一个递增的变量，看看能调用多少次：

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

}

        设置一下 -Xss 参数：

3.2 OutOfMemoryError异常

        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中请到足够的内存，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OutOfMemoryError异常。 

四、栈的运行原理

4.1 栈的存储单位 

        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。

4.2 栈的运行原理 

        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(Current Method），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。

        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。

        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。

五、栈帧的内部结构 

        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

六、局部变量表（Local Variable Table）

6.1 局部变量表 

6.1.1 介绍 

        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。

        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，康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。 

6.1.2 实战

        咱们利用 jclasslib Bytecode Viewer 插件来看看局部变量表长什么样。先编写一段代码：

public class StackTest {

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

    public void methodA() {
        int i = 10;
        int j = 20;

        methodB();
    }

    public void methodB(){
        int k = 30;
        int m = 40;
    }
}

         可以看到main方法中有两个变量：args和test，按照他们声明的先后顺序，依次占据表中的序号（index）0和1；起始PC（start PC）是变量在字节码指令中开始的行号；长度（length）是在字节码指令中占据的长度。

6.2 变量槽slot 

6.2.1 slot的介绍 

        局部变量表最基本的存储单元是slot(变量槽)，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

        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类型的变量

        在局部变量表里，32位以内的类型只占用一个slot (包括returnAddress类型），64位的类型(long和double)占用两个slot。byte , short , char在存储前被转换为int；boolean也被转换为int，0 表示false ，非0表示true；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，通过这个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(比如:访问long或double类型变量)值时，只需要使用前一个索引即可。

        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index为0的slot处，其余的参数按照参数表顺序继续排列。

6.2.2 slot的测试 

        下面我们把前面的介绍一一测试。

public class LocalVariablesTest {
    private int count = 0;

    public static void main(String[] args) {
        LocalVariablesTest test = new LocalVariablesTest();
        int num = 10;
        test.test1();
    }

    /**
     * 用于解释为什么静态方法不能用this调用
     */
    public static void testStatic(){
        LocalVariablesTest test = new LocalVariablesTest();
        Date date = new Date();
        int count = 10;
        System.out.println(count);
        //因为this变量不存在于当前方法的局部变量表中！！
//        System.out.println(this.count);
    }

    public LocalVariablesTest(){
        this.count = 1;
    }

    /**
     * 用于展示this变量存放在index为0的位置
     */
    public void test1() {
        Date date = new Date();
        String name1 = "atguigu.com";
        test2(date, name1);
        System.out.println(date + name1);
    }

    /**
     * 用于展示double类型变量占两个slot
     * @param dateP
     * @param name2
     * @return
     */
    public String test2(Date dateP, String name2) {
        dateP = null;
        name2 = "songhongkang";
        double weight = 130.5;//占据两个slot
        char gender = '男';
        return dateP + name2;
    }

    /**
     * 用于展示全局变量
     */
    public void test3() {
        this.count++;
    }
}

         test1的局部变量表：

         test2的局部变量表：

        test3的局部变量表：

6.2.3 slot的重复利用

• 介绍 

        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。

• 演示

        我们看下面的代码，代码里有三个变量，再加上不是静态方法，还有this变量，应该一共是4个变量。但是我们看看局部变量表： 

public void test4() {
        int a = 0;
        {
            int b = 0;
            b = a + 1;
        }
        //变量c使用之前已经销毁的变量b占据的slot的位置
        int c = a + 1;
    }

         发现只有三个序号。从起始位置可以看出，c占了b的位置。这说明，b一出大括号就离开了自己的作用域，被销毁了，新定义的c重复利用的b之前的位置。

6.2.4 类变量和局部变量的区别 

         参考我的文章：面试常问：Java中实例变量和局部变量的区别

七、操作数栈（Operand Stack）

7.1 介绍 

        每一个独立的栈帧中除了包含局部变量表以外，还包含一个后进先出的操作数栈（Operand Stack），也可以称之为表达式栈(Ezpression Stack) 。

        我们都知道，栈可以用数组或链表实现。操作数栈是用数组实现的。 但是操作数栈并非采用访问索引的方式来进行数据访问的（因为是栈），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。

        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。       

7.2 原理 

        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。 

        操作数栈在方法执行过程中，根据字节码指令往栈中写入数据或从栈中提取数据，即入栈(push)/出栈(pop)。一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）。例如：

​

        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（数组长度）在编译期就定义好了，保存在方法的code属性中，为max_stack的值。

        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（程序计数器）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严格匹配，这由编译器在编译器期间进行验证，同时在类加载过程中的类检验阶段的数据流分析阶段要再次验证。

        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。

7.3 字节码层面逐步分析

        首先编写一段简单的代码，然后来分析每一行字节码中，程序计数器、局部变量表、操作数栈都做了什么。 

public class OperandStackTest {
    public void testAddOperation() {
        //byte、short、char、boolean：都以int型来保存
        byte i = 15;
        int j = 8;
        int k = i + j;
    }
}

        可以使用反编译命令查看字节码 javap -v xxx.java，也可以直接使用jclasslib工具或插件查看字节码：

​​

        首先看第一行，0 bipush 15。程序计数器中保存指令地址0，局部变量表中开辟三个变量的内存空间；bipush中，bi表示将byte类型转换为int类型，push表示操作数栈中将15入栈。

​

        再看第二行，2 istore_1。程序计数器保存指令地址2；istore_1中，i表示栈顶是int类型，store表示要操作数栈弹出15，保存到局部变量表中，1表示保存到索引1位置（因为索引0位置保存的是this）。

​

        3 bipush 8。程序计数器中保存指令地址3，操作数栈中将8入栈。

​

        5 istore_2。程序计数器保存指令地址5，操作数栈弹出8，保存到局部变量表的索引2位置；

​

         6 iload_1 和 7 iload_2。表示将局部变量表中索引1位置和索引2位置的取出，压入操作数栈中。

​

​

        iadd。操作数栈中弹出8和15，由执行引擎将字节码翻译为机器指令，交由CPU完成加法运算，运算结果压入操作数栈中 

​

        istore_3 。操作数栈弹出23，保存到局部变量表中索引为3的位置

 ​

         return。方法没有返回值，return结束。

7.4 对方法返回值的处理

        前面的介绍中提到：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，我们一起来验证一下：

        在下面这段代码中，getSum方法是有返回值的。 

public class OperandStackTest {
    public int getSum(){
        int m = 10;
        int n = 20;
        int k = m + n;
        return k;
    }

    public void testGetSum(){
        //获取上一个栈桢返回的结果，并保存在操作数栈中
        int i = getSum();
        int j = 10;
    }
}

        先看getSum()的字节码。主要是注意最后的ireturn，说明返回类型是一个int类型，将其保存在操作数栈中。

​

        再看看testGetSum()的字节码。 一上来就做了aload_0的操作，load就是从操作数栈中加载数据。

​

7.5 字节码中对int类型的理解

        需要注意的一个点是，虚拟机会将int类型变量理解为不同的类型：

        例如这里有一段代码：

public class OperandStackTest {
    public void testAddOperation() {
        int m = 8;
    }
}

        bipush表示先将8理解为是一个byte类型，再转换为int类型

​

        如果是800： 

public class OperandStackTest {
    public void testAddOperation() {
        int m = 800;
    }
}

         字节码为sipush，说明理解为一个short类型，再转换为int类型。

 ​

        跟直接定义为short产生的字节码是一样的：

public class OperandStackTest {
    public void testAddOperation() {
        short m = 800;
    }
}

7.6 栈顶缓存技术（TOS，Top-of-Stack Cashing）

        我们知道，基于栈式架构的虚拟机所使用的零地址指令比基于寄存器架构的更加紧凑，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（Tos，Top-of-stack Cashing）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。 

八、动态链接（Dynamic Linking，指向运行时常量池的方法引用） 

8.1 介绍 

        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将这些符号引用转换为调用方法的直接引用。 

        动态链接 也叫做 指向运行时常量池的方法引用。下图中蓝色的部分即是栈帧，橙色部分就是动态链接。

8.2 演示 

        看看运行时常量池。首先准备一段Java代码：

public class DynamicLinkingTest {

    int num = 10;

    public void methodA(){
        System.out.println("methodA()....");
    }

    public void methodB(){
        System.out.println("methodB()....");
        methodA();
        num++;
    }
}

         使用命令 javap -v .\DynamicLinkingTest.class 反编译DynamicLinkingTest.class文件，找到常量池。左边为符号引用，右边为真实引用。

        动态链接其实就是把类加载的时候需要使用到的一些信息作为符号加载出来，在方法中具体要引用谁，再在使用的时候指明

8.3 常量池的作用

        常量池的作用就是提供一些符号和常量，便于指令的识别。

九、方法的调用

9.1 早期绑定与晚期绑定 

        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。

• 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，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。

        下面的例子就可以解释早期绑定和晚期绑定

class Animal{

    public void eat(){
        System.out.println("动物进食");
    }
}
interface Huntable{
    void hunt();
}
class Dog extends Animal implements Huntable{
    @Override
    public void eat() {
        System.out.println("狗吃骨头");
    }

    @Override
    public void hunt() {
        System.out.println("捕食耗子，多管闲事");
    }
}

class Cat extends Animal implements Huntable{

    public Cat(){
        super();//表现为：早期绑定
    }

    public Cat(String name){
        this();//表现为：早期绑定
    }

    @Override
    public void eat() {
        super.eat();//表现为：早期绑定
        System.out.println("猫吃鱼");
    }

    @Override
    public void hunt() {
        System.out.println("捕食耗子，天经地义");
    }
}
public class AnimalTest {
    //只有知道传入的animal是什么，才能知道结果是什么
    public void showAnimal(Animal animal){
        animal.eat();//表现为：晚期绑定
    }
    public void showHunt(Huntable h){
        h.hunt();//表现为：晚期绑定
    }
}

        随着高级语言的横空出世，像Java一样的基于面向对象的编程语言越来越多，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、继承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。

9.2 虚方法和非虚方法

9.2.1 概念 

        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：

9.2.2 字节码指令介绍

• 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:

1. 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千预，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（蓝色字体）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。

9.2.3 普通调用指令演示

class Father {
    public Father() {
        System.out.println("father的构造器");
    }

    public static void showStatic(String str) {
        System.out.println("father " + str);
    }

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

    public void showCommon() {
        System.out.println("father 普通方法");
    }
}

public class Son extends Father {
    public Son() {
        //invokespecial
        super();
    }
    public Son(int age) {
        //invokespecial
        this();
    }
    //不是重写的父类的静态方法，因为静态方法不能被重写！
    public static void showStatic(String str) {
        System.out.println("son " + str);
    }
    private void showPrivate(String str) {
        System.out.println("son private" + str);
    }

    public void show() {
        //invokestatic
        showStatic("atguigu.com");
        //invokestatic
        super.showStatic("good!");
        //invokespecial
        showPrivate("hello!");
        //invokespecial
        super.showCommon();

        //invokevirtual   因为此方法声明有final，不能被子类重写，所以也认为此方法是非虚方法。
        showFinal();
        //虚方法如下：
        //invokevirtual
        showCommon();
        info();

        MethodInterface in = null;
        //invokeinterface
        in.methodA();
    }

    public void info(){

    }

    public void display(Father f){
        f.showCommon();
    }

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

interface MethodInterface{
    void methodA();
}

        运行结果：

father的构造器
son atguigu.com
father good!
son privatehello!
father 普通方法
father show final
father 普通方法
Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException
	at com.atguigu.java2.Son.show(Son.java:64)
	at com.atguigu.java2.Son.main(Son.java:77)

        字节码：

9.2.4 invokedynamic指令介绍

        JVM字节码指令集一直比较稳定，一直到Java7中才增加了一个 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。

        但是在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 Lambda表达式的出现，invokedynamic才在Java中才有了直接的生成方式。

        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。

        什么是动态类型语言？ 

        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，反之是动态类型语言。

        说的再直白一点就是，静态类型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本质上还是静态类型语言，虽然他在一定程度上支持动态类型。

9.2.5 invokedynamic指令演示 

        在Java8中使用lambda表达式，JVM就会使用invokedynamic指令。

@FunctionalInterface
interface Func {
    public boolean func(String str);
}

public class Lambda {
    public void lambda(Func func) {
        return;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Lambda lambda = new Lambda();

        Func func = s -> {
            return true;
        };

        lambda.lambda(func);

        lambda.lambda(s -> {
            return true;
        });
    }
}

 9.3 方法重写的本质

        Java语言中方法重写的原理：

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. 如果在类型c中找到与常量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，查找过程结束；如果不通过，则返回java.lang.IllegalAccessError异常
3. 如果没有找到相符的方法，按照继承关系从下往上依次对c的各个父类进行第⒉步的搜索和验证过程
4. 如果始终没有找到合适的方法，说明继承的是接口，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，而这个属性或方法没有权限访问，一般会引起编译器异常。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。

9.4 虚方法表

9.4.1 虚方法表介绍 

        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会把该类的方法表也初始化完毕。对类加载的各个阶段的介绍在我的这篇文章中：JVM学习（六）：类加载子系统_玉面大蛟龙的博客-CSDN博客

9.4.2 虚方法表示例 

        我们来具体看看虚方法表起什么作用。如图，Son类继承Father类，Father类继承自Object类。Son中的虚方法（蓝色背景的方法）由于虚方法表的存在，会直接指向祖先类，而非虚方法仍指向本身。 

十、方法返回地址（Return Address）

10.1  方法返回地址介绍

        方法返回地址 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
• 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指令的地址。而通过异常退出的，返回地址是要通过异常表来确定，栈帧中一般不会保存这部分信息。 因此方法返回地址主要针对的是正常执行完成的方法。

10.2 方法的退出

        当一个方法开始执行后，只有两种方式可以退出这个方法:

10.2.1 正常完成出口 

        执行引擎遇到任意一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、类和接口的初始化方法使用。

        我们来看看这些返回指令：

public class ReturnAddressTest {
    //ireturn
    public boolean methodBoolean() {
        return false;
    }

    //ireturn
    public byte methodByte() {
        return 0;
    }

    //ireturn
    public short methodShort() {
        return 0;
    }

    //ireturn
    public char methodChar() {
        return 'a';
    }

    //ireturn
    public int methodInt() {
        return 0;
    }

    //lreturn
    public long methodLong() {
        return 0L;
    }

    //freturn
    public float methodFloat() {
        return 0.0f;
    }

    //dreturn
    public double methodDouble() {
        return 0.0;
    }

    //areturn
    public String methodString() {
        return null;
    }

    //areturn
    public Date methodDate() {
        return null;
    }

    //return
    public void methodVoid() {

    }

    //return
    static {
        int i = 10;
    }
}

        图就不全截了，放一张意思意思。 

10.2.2 异常完成出口

        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中，方便在发生异常的时候找到处理异常的代码。

        下面我们来看看异常表长什么样，先加一段可能出现异常的代码：

public void method2() {
        try {
            method1();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public void method1() throws IOException {
        FileReader fis = new FileReader("atguigu.txt");
        char[] cBuffer = new char[1024];
        int len;
        while ((len = fis.read(cBuffer)) != -1) {
            String str = new String(cBuffer, 0, len);
            System.out.println(str);
        }
        fis.close();
    }

         反编译查看： 

         也可以使用jclasslib工具查看异常处理表：

10.2.3 方法退出的本质

        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。

十一、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。 

        这个不一定都有，在一些介绍栈帧的资料当中甚至省略了这部分。

十二、栈相关的面试题 

• 举例栈溢出的情况? (StackOverflowError)

        递归调用死循环

• 调整栈大小，就能保证不出现溢出吗?

        不能。递归调用死循环给多大内存都没用。

• 分配的栈内存越大越好吗?

        不是。会挤占其他内存结构的空间。

• 垃圾回收是否会涉及到虚拟机栈?

        不会。栈有OOM问题，但不会发生GC

• 方法中定义的局部变量是否线程安全?

        具体问题具体分析。咱们使用线程不安全的StringBuilder类来讨论这个问题：文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-429238.html

public class StringBuilderTest {

    int num = 10;

    //s1的声明方式是线程安全的，因为只有一个线程会操作s1
    public static void method1(){
        StringBuilder s1 = new StringBuilder();
        s1.append("a");
        s1.append("b");
        //...
    }

    //sBuilder的操作过程：是线程不安全的，因为有可能会有多个线程同时调用method2
    public static void method2(StringBuilder sBuilder){
        sBuilder.append("a");
        sBuilder.append("b");
        //...
    }

    //s1的操作：是线程不安全的，因为s1被返回出去之后，可能会有好几个线程同时来操作它
    public static StringBuilder method3(){
        StringBuilder s1 = new StringBuilder();
        s1.append("a");
        s1.append("b");
        return s1;
    }

    //s1的操作：是线程安全的，因为toString方法的底层是再new一个String，String是不可变的
    public static String method4(){
        StringBuilder s1 = new StringBuilder();
        s1.append("a");
        s1.append("b");
        return s1.toString();
    }

    public static void main(String[] args) {
        StringBuilder s = new StringBuilder();


        new Thread(() -> {
            s.append("a");
            s.append("b");
        }).start();

        method2(s);

    }

}

到了这里，关于JVM学习（八）：运行时数据区——虚拟机栈（字节码程度深入剖析）的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容，请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章，希望大家以后多多支持TOY模板网！