深入理解Java虚拟机：程序计数器与虚拟机栈详解

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• 每个线程：独立包括程序计数器、栈、本地栈
• 线程间共享：堆、堆外内存（永久代或元空间、代码缓存）

当我们通过前面的：类的加载-> 验证 -> 准备 -> 解析 -> 初始化 这几个阶段完成后，就会用到执行引擎对我们的类进行使用，同时执行引擎将会使用到我们运行时数据区。

内存是非常重要的系统资源，是硬盘和CPU的中间仓库及桥梁，承载着操作系统和应用程序的实时运行JVM内存布局规定了Java在运行过程中内存申请、分配、管理的策略，保证了JVM的高效稳定运行。不同的JVM对于内存的划分方式和管理机制存在着部分差异。

正文

我们通过磁盘或者网络IO得到的数据，都需要先加载到内存中，然后CPU从内存中获取数据进行读取，也就是说内存充当了CPU和磁盘之间的桥梁。

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线程

线程是一个程序里的运行单元。JVM允许一个应用有多个线程并行的执行。在Hotspot JVM里，每个线程都与操作系统的本地线程直接映射。

当一个Java线程准备好执行以后，此时一个操作系统的本地线程也同时创建。Java线程执行终止后，本地线程也会回收。

操作系统负责所有线程的安排调度到任何一个可用的CPU上。一旦本地线程初始化成功，它就会调用Java线程中的run()方法。

JVM系统线程:

• 虚拟机线程：需要JVM达到安全点才会出现。这些操作必须在不同的线程中发生的,原因是他们都需要JVM达到安全点，这样堆才不会变化。这种线程的执行类型包括stop-the-world的垃圾收集，线程栈收集，线程挂起以及偏向锁撤销。
• 周期任务线程：这种线程是时间周期事件的体现（比如中断），他们一般用于周期性操作的调度执行。
• GC线程：这种线程对在JVM里不同种类的垃圾收集行为提供了支持。
• 编译线程：这种线程在运行时会将字节码编译成到本地代码。
• 信号调度线程：这种线程接收信号并发送给JVM，在它内部通过调用适当的方法进行处理。

程序计数器(PC寄存器)

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• CPU只有把数据装载到寄存器才能够运行，JVM中的PC寄存器是对物理PC寄存器的一种抽象模拟。
• PC寄存器用来存储指向下一条指令的地址，也即将要执行的指令代码，由执行引擎读取下一条指令。

案例

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• 在JVM规范中，每个线程都有它自己的程序计数器，是线程私有的，生命周期与线程的生命周期保持一致。
• 任何时间一个线程都只有一个方法在执行（当前方法）。程序计数器会存储当前线程正在执行的Java方法的JVM指令地址；如果是在执行native方法，则是未指定值（undefined）。
• 字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令。

虚拟机栈

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

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，是线程私有的。

内存中的栈与堆

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栈是运行时的单位，而堆是存储的单位。

• 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，放哪里。

栈运行原理

• 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/后进先出原则。
• 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。

栈帧内部结构

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• 局部变量表是存放方法参数和局部变量的区域。局部变量没有准备阶段，必须显式初始化。如果是非静态方法，则在index[0]位置上存储的是方法所属对象的实例引用，一个引用变量占4个字节，随后存储的是参数和局部变量，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。
• 操作数栈是个初始状态为空的桶式结构栈。在方法执行过程中，会有各种指令往栈中写入和提取信息。JVM 的执行引擎是基于栈的执行引擎，其中的栈指的就是操作数栈。字节码指令集的定义都是基于栈类型的，栈的深度在方法元信息的stack属性中。
• 动态连接是支持方法调用过程的动态连接，每个栈帧中包含一个在常量池中对当前方法的引用。
• 方法返回地址（Return Address）（或方法正常退出或者异常退出的定义）。

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并行每个线程下的栈都是私有的，因此每个线程都有自己各自的栈，并且每个栈里面都有很多栈帧，栈帧的大小主要由局部变量表 和 操作数栈决定的。

案例

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代码跟踪：

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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。

动态链接

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。

方法的调用：解析与分配

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有关

• 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。
• 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。

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，比如静态方法、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。

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）（非虚方法不会出现在表中）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。

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。

方法返回地址

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，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。

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。

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。