1.虚拟机栈概述

** 虚拟机栈出现的原因:**

由于跨平台性的设计，Java指令都是根据栈来设计的。不同平台CPU架构不同，所以不能使用基于寄存器的方案。当然这种设计也是有优缺点的：优点在于跨平台，指令集小，编译方便；缺点在于性能下降，实现相同的功能需要更多的指令。
JVM的内存主要是由栈和堆组成的。栈是运行时的单位，而堆是存储的单位。也就是说，栈主要解决程序运行的问题，堆解决的是数据存储的问题。

JAVA虚拟机栈是什么?
JAVA虚拟机栈，早期叫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，对应着JAVA的每次调用。

生命周期:
生命周期和线程一致。

作用：
主管JAVVA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。

栈的特点：

  • 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：
    入栈和出栈。
  • 对栈来说不存在垃圾回收问题，PC寄存器也不存在。

栈的存储单位

栈中存储什么？

  1. 每个线程中都有自己的栈，栈中的数据都是以栈帧(Stack Frame)的格式存在。
    2.在这个线程上正在执行的每个方法都各自对应一个栈帧.
    3.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。

java 获取虚拟机栈 jvm虚拟机栈_JAVA

  • JVM直接对JAVA栈的操作只有两个，就是对栈帧的压栈和出栈，遵循着"先进后出，后进先出"的原则。
  • 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，与当前栈帧相对应的方法就是当前方法，定义这个方法的类就是当前类。
  • 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，成为新的栈帧。
  • 不同线程中所包含的栈帧是不允许存在相互引用的，既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；另一种是抛出异常，不管使用哪种方式，都会导致栈帧被弹出。

上面提了这么多的栈帧，下面就让我们来看看栈帧究竟长什么样子吧！

栈帧的内部结构

java 获取虚拟机栈 jvm虚拟机栈_局部变量_02

这里提到局部变量表，操作数栈，方法返回地址，动态链接，一些附加信息这五个部分。那么我们就来一一探索这五个部分是什么吧。

首先是局部变量表:

  • 局部变量表也被称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retuenAddress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。
  • 局部变量表所需要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。

关于Slot的理解:

  • 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，最基本的存储单元是Slot(变量槽)
  • 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solt(包括returnAddress类型),64位的类型(long和double)占用两个solt.
  1. byte,short,char在存储前被转换为int,boolean也被转化为int，0表示false,非0表示true。
    2.long和double则占据两个Slot。

java 获取虚拟机栈 jvm虚拟机栈_初始化_03

  • JVM会为局部变量表中的每一个Slot部分分配一个访问索引，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。
  • 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。
    举例:静态变量与局部变量的对比
  • 参数表分配完毕之后，再根据方法体内定义的变量的顺序和作用域分配。
  • 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的是，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。

`

public void test(){
    int i;
    System.out.println(i);
  }

`
上面的代码就是错误的，没有赋值不能够使用。
补充说明：

  • 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。