java虚拟机设置堆栈大小 java虚拟机栈帧的组成

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mob64ca14089531 2023-11-09 11:02:15

文章标签 java虚拟机设置堆栈大小 java jvm 方法调用操作数 文章分类 Java 后端开发

栈是一种FILO类型的数据结构。在虚拟机内存中有两个栈，一个是虚拟机栈，一个是本地方法栈。其中虚拟机栈是用来执行Java执行代码的。而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。关于本地方法栈，此处不做展开。主要描述虚拟机栈。我们平时提到的栈也就是指虚拟机栈。

1.特点

栈描述的是java代码执行的一种内存模型。
栈中包含的元素为栈帧（一个栈帧对应一个方法）
栈是线程独立的

2.栈帧

栈帧(Stack Frame)是虚拟机运行时数据区中的虚拟机栈(Virtual Machine Stack) 的栈元素。栈帧存储了方法的局部变量表、操作数栈、动态连接和方法返回地址等信息。每一个方法从调用开始至执行完成的过程,都对应着一个栈帧在虚拟机栈里面从入栈到出栈的过程。

一个线程中的方法调用链可能会很长,很多方法都同时处于执行状态。对于执行引擎来说,在活动线程中,只有位于栈顶的栈帧才是有效的,称为当前栈帧(Current Stack Frame),与这个栈帧相关联的方法称为当前方法(Current Method)。典型的栈帧结构如图：

java虚拟机设置堆栈大小 java虚拟机栈帧的组成_java

2.1 局部变量表

用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量。该表在编译期由Code属性中的max_locals确定局部变量表的大小。局部变量表的容量以变量槽(Variable Slot)为最小单位。

局部变量表中第0位索引的Slot默认“this”关键字的引用。
该表中存放三种变量：

基本数据类型
引用类型
returnAddress类型(是指向特定指令内存地址的指针)

2.2 操作数栈

方法真正执行的地方

当一个方法刚刚开始执行的时候,这个方法的操作数栈是空的,在方法的执行过程中,会有各种字节码指令往操作数栈中写入和提取内容,也就是出栈/入栈操作。例如,在做算术运算的时候是通过操作数栈来进行的,又或者在调用其他方法的时候是通过操作数栈来进行参数传递的

2.3 动态链接

每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用，持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态连接(Dynamic Linking)。

2.4 返回地址

无论采用何种退出方式,在方法退出之后,都需要返回到方法被调用的位置,程序才能继续执行,方法返回时可能需要在栈帧中保存一些信息,用来帮助恢复它的上层方法的执行状态。一般来说,方法正常退出时,调用者的PC计数器的值可以作为返回地址,栈帧中很可能会保存这个计数器值。而方法异常退出时,返回地址是要通过异常处理器表来确定的,栈帧中一般不会保存这部分信息。

3.动态链接详解

3.1 方法调用

讲解动态链接前先介绍一下方法的调用

方法调用并不等同于方法执行,方法调用阶段唯一的任务就是确定被调用方法的版本(即调用哪一个方法),暂时还不涉及方法内部的具体运行过程。

所有方法调用中的目标方法在Class文件里面都是一个常量池中的符号引用,在类加载的解析阶段,会将其中的一部分符号引用转化为直接引用,这种解析能成立的前提是:方法在程序真正运行之前就有一个可确定的调用版本,并且这个方法的调用版本在运行期是不可改变的。换句话说,调用目标在程序代码写好、编译器进行编译时就必须确定下来。这类方法的调用称为解析(Resolution)。

与之相对应的是,在Java虚拟机里面提供了5条方法调用字节码指令,分别如下：

invokestatic:调用静态方法。
invokespecial:调用实例构造器方法、私有方法和父类方法。
invokevirtual:调用所有的虚方法。还有final修饰的方法。
invokeinterface:调用接口方法,会在运行时再确定一个实现此接口的对象。
invokedynamic:先在运行时动态解析出调用点限定符所引用的方法,然后再执行该方法,在此之前的4条调用指令,分派逻辑是固化在Java虚拟机内部的,而- - invokedynamic指令的分派逻辑是由用户所设定的引导方法决定的。

3.2 方法分派

方法分派分为静态单分派、静态多分派、动态单分派、动态多分派4种。对应java 中的重载和重写。

静态分派

public class StaticDispatch {

        static abstract class Human{
        }
        static class Man extends Human{
        }
        static class Woman extends Human{
        }
        public void sayHello(Human guy){
            System.out.println("hello,guy!");
        }
        public void sayHello(Man guy){
            System.out.println("hello,gentleman!");
        }
        public void sayHello(Woman guy){
            System.out.println("hello,lady!");
        }
        public static void main(String[]args){
            Human man=new Man();
            Human woman=new Woman();
            StaticDispatch sr=new StaticDispatch();
            sr.sayHello(man);
            sr.sayHello(woman);
        }

}

运行结果如下：

java虚拟机设置堆栈大小 java虚拟机栈帧的组成_jvm_02

将上面代码中稍作改动：

sr.sayHello((Man)man);
sr.sayHello((Woman)woman);

运行结果如下：

java虚拟机设置堆栈大小 java虚拟机栈帧的组成_java虚拟机设置堆栈大小_03

编译器在重载时是通过参数的静态类型（Human）而不是实际类型（Man或Woman）作为判定依据的。并且静态类型是编译期可知的，因此，在编译阶段，Javac编译器会根据参数的静态类型决定使用哪个重载版本，所以选择了sayHello(Human)作为调用目标，并把这个方法的符号引用写到main()方法里的两条invokevirtual指令的参数中。

动态分派

动态分派主要用来实现java多态的一个另一个特性：重写(Override)。

public class DynamicDispatch {

    static abstract class Human{
        protected abstract void sayHello();
    }
    static class Man extends Human{
        @Override
        protected void sayHello(){
            System.out.println("man say hello");
        }
    }
    static class Woman extends Human{
        @Override
        protected void sayHello(){
            System.out.println("woman say hello");
        }
    }
    public static void main(String[]args){
        Human man=new Man();
        Human woman=new Woman();
        man.sayHello();
        woman.sayHello();
        man=new Woman();
        man.sayHello();
    }
}

运行结果如下：

java虚拟机设置堆栈大小 java虚拟机栈帧的组成_操作数_04

invokevirtual指令的运行时解析过程大致分为以下几个步骤:

找到操作数栈顶的第一个元素所指向的对象的实际类型,记作C。
如果在类型C中找到与常量中的描述符和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。
否则,按照继承关系从下往上依次对C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