《JVM系列》 第四章 -- Java虚拟机栈，nginx调优教学视频

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• 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。

• 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。

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局部变量（局部变量表中的变量），它是相比于成员变量来说的，它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

静态变量与局部变量的对比：

• 我们知道类变量表有两次初始化的机会，第一次是在 “准备阶段” ，执行系统初始化，对类变量设置零值，另一次则是在 “初始化”阶段 ，赋予程序员在代码中定义的初始值。

• 和类变量初始化不同，局部变量表不存在系统初始化的过程，这意味着一旦定义了局部变量则必须人为的初始化，否则无法使用。

• 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

每一个独立的栈帧除了包含局部变量表以外，还包含一个 后进先出（Last - In - First -Out） 的操作数栈（Operand Stack），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）和 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。使用它们后再把结果压入栈

• 比如：执行复制、交换、求和等操作

代码举例：

• 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。

• 这个时候数组是有长度的，因为数组一旦创建，那么就是不可变的

• 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maxstack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和出栈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。

栈顶缓存技术：

• 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。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。

i++与++i的区别：

从虚拟机栈中的操作数栈的字节码执行流程来看，i++与++i的字节码指令是一样的，在运行效率上也一样，但是在涉及到运算时，字节码的执行流程不一样。

案例：

public class Test {

public static void main(String[] args) {

int i = 10;

i=i++;

System.out.println(i);

i=++i;

System.out.println(i);

}

}

OutPut：10 11

**在执行i=i++;

运算时先将i的值压入操作数栈，

然后将i的局部变量表中的值直接更新+1

然后将操作数栈中的值赋值给i，所以第一次打印结果为：10。

后执行i=++i;

先对局部变量表中i的值更新+1，

然后将i的值压入到操作数栈，

弹出操作数栈顶的值赋值给i，所以运行结果为：11。**

动态链接

动态链接（指向运行时常量池的方法引用） 、方法返回地址、附加信息： 有些地方被称为帧数据区

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为了将这些符号引用转换为调用方法的直接引用。

常量池的作用：提供一些符号和常量，便于指令的识别

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，这种情况下降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的方法的符号转换为直接引用，由于这种引用转换过程具备动态性，因此也被称之为动态链接。

绑定机制：

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，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。

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。

虚方法和非虚方法：

• 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。

子类对象的多态的使用前提：

• 类的继承关系

• 方法的重写

Java 语言中方法重写的本质：

• 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T。

• 如果在类型T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.IIlegalAccessError 异常。

• 否则，按照继承关系从下往上依次对T的各个父类进行第2步的搜索和验证过程。

• 如果始终没有找到合适的方法，则抛出java.lang.AbstractMethodError异常。

IllegalAccessError： 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。

方法的调用：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）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。（非虚方法不会出现在表中，因为它以经确定了要使用的是那个方法）

• 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。

如图所示： 如果类中重写了方法，那么调用的时候，就会直接在虚方法表中查找，否则将会直接连接到Object的方法中。

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。

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（Long类型），freturn（Float类型），dreturn（Double类型），areturn。另外还有一个return指令声明为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：

• 在方法执行过程中遇到异常（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。

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