前言

Java 虚拟机的内存模型分为两部分:一部分是线程共享的,包括 Java 堆和方法区;另一部分是线程私有的,包括虚拟机栈和本地方法栈,以及程序计数器这一小部分内存。今天我就 Java 虚拟机栈做一些比较浅的探究。

熟悉 Java 的同学应该都知道了,JVM 是基于栈的。但是这个“栈” 具体指的是什么?难道就是虚拟机栈?想要回答这个问题我们先要从虚拟机栈的结构谈起。

虚拟机栈

何为虚拟机栈
虚拟机栈的栈元素是栈帧,当有一个方法被调用时,代表这个方法的栈帧入栈;当这个方法返回时,其栈帧出栈。因此,虚拟机栈中栈帧的入栈顺序就是方法调用顺序。什么是栈帧呢?栈帧可以理解为一个方法的运行空间。它主要由两部分构成,一部分是局部变量表,方法中定义的局部变量以及方法的参数就存放在这张表中;另一部分是操作数栈,用来存放操作数。我们知道,Java 程序编译之后就变成了一条条字节码指令,其形式类似汇编,但和汇编有不同之处:汇编指令的操作数存放在数据段和寄存器中,可通过存储器或寄存器寻址找到需要的操作数;而 Java 字节码指令的操作数存放在操作数栈中,当执行某条带 n 个操作数的指令时,就从栈顶取 n 个操作数,然后把指令的计算结果(如果有的话)入栈。因此,当我们说 JVM 执行引擎是基于栈的时候,其中的“栈”指的就是操作数栈。举个简单的例子对比下汇编指令和 Java 字节码指令的执行过程,比如计算 1 + 2,在汇编指令是这样的:

mov ax, 1 ;把 1 放入寄存器 ax
add ax, 2 ;用 ax 的内容和 2 相加后存入 ax
而 JVM 的字节码指令是这样的:

iconst_1 //把整数 1 压入操作数栈
iconst_2 //把整数 2 压入操作数栈
iadd //栈顶的两个数相加后出栈,结果入栈
由于操作数栈是内存空间,所以字节码指令不必担心不同机器上寄存器以及机器指令的差别,从而做到了平台无关。

注意,局部变量表中的变量不可直接使用,如需使用必须通过相关指令将其加载至操作数栈中作为操作数使用。比如有一个方法 void foo(),其中的代码为:int a = 1 + 2; int b = a + 3;,编译为字节码指令就是这样的:

iconst_1 //把整数 1 压入操作数栈
iconst_2 //把整数 2 压入操作数栈
iadd //栈顶的两个数出栈后相加,结果入栈;实际上前三步会被编译器优化为:iconst_3
istore_1 //把栈顶的内容放入局部变量表中索引为 1 的 slot 中,也就是 a 对应的空间中
iload_1 // 把局部变量表索引为 1 的 slot 中存放的变量值(3)加载至操作数栈
iconst_3
iadd //栈顶的两个数出栈后相加,结果入栈
istore_2 // 把栈顶的内容放入局部变量表中索引为 2 的 slot 中,也就是 b 对应的空间中
return // 方法返回指令,回到调用点
需要说明的是,局部变量表以及操作数栈的容量的最大值在编译时就已经确定了,运行时不会改变。并且局部变量表的空间是可以复用的,例如,当指令的位置超出了局部变量表中某个变量 a 的作用域时,如果有新的局部变量 b 要被定义,b 就会覆盖 a 在局部变量表的空间。

盗用别人的图以让大家对虚拟机栈有个直观的认识(其中小字体 Stack 指的的是虚拟机栈,Frame 是栈帧,Local variables 是局部变量表,Operand Stack 是操作数栈):探究Java虚拟机栈
由虚拟机栈引出的问题

看完上面的代码大家可能会有几点疑惑:什么是 slot?那些指令是什么意思?为什么 a 对应的 slot 的索引值不是从零开始的,它明明是第一个定义的变量啊?

对于这些问题我们一个个来解决。

什么是 slot
首先什么是 slot?slot 是局部变量表中的空间单位,虚拟机规范中有规定,对于 32 位之内的数据,用一个 slot 来存放,如 int,short,float 等;对于 64 位的数据用连续的两个 slot 来存放,如 long,double 等。引用类型的变量 JVM 并没有规定其长度,它可能是 32 位,也有可能是 64 位的,所以既有可能占一个 slot,也有可能占两个 slot。

JVM 字节码指令
第二个问题,那些指令是什么意思?

指令格式

首先我们要理解 Java 指令的格式,Java 的指令以字节为单位,也就是一个字节代表一条指令。比如 iconst_1 就是一条指令,它占一个字节,那么自然 Java 指令不会超过 256 条。实际上 Java 指令目前定义了 200 多条。指令虽然是一个字节,但是它也可以带自己的操作数。JVM 中有这样一条指令 putstatic,其作用是给特定的的静态字段赋值。但是给哪个字段赋值呢?仅仅通过这条指令并不能说明,那么只有通过操作数来指定了。紧跟在 putstatic 后面的两个字节就是它的操作数,这个操作数是一个索引值,指向运行时常量池中该静态字段对应的符号引用。由于符号引用包含了该字段的基本信息,如所属类、简单