探究Java虚拟机栈—Java进阶

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 axadd 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_3istore_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较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）：

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，它明明是靠前个定义的变量啊？

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、简单名称以及描述符，因此 putstatic 指令就知道是给哪个类的哪个字段赋值了。

指令的操作数分两种：一种是嵌入在指令中的，通常是指令字节后面的若干个字节；另一种是存放在操作数栈中的。为了区别，我们把前者叫做嵌入式操作数，把后者叫做栈内操作数。这两者的区别是：嵌入式操作数是在编译时就已经确定的，运行时不会改变，它和指令一样存放于类文件方法表的 Code 属性中；而操作数是运行时确定的，即程序在执行过程中动态生成的。拿 putstatic 指令来说，它有一个嵌入式操作数，该操作数是一个索引值（前面已经提到），它由两个字节组成，紧跟在 putstatic 对应的字节之后；同时它还有一个栈内操作数，位于操作数栈的栈顶，这个操作数就是要赋给静态字段的值，其对应的字节数根据静态字段的类型决定。如果静态字段的类型是 short、int、boolean、char 或者 byte，那么这个操作数就必须是 int 类型，即由栈顶的 4 个字节组成；如果是 float、double 或者 long 类型，那么操作数就是相应的类型，即由栈顶的 4 个、8 个 或者 8 个 字节组成；如果静态字段是引用类型，那么这个操作数的类型也必须是引用类型，即由栈顶的 8 个字节组成。

再举一个例子。iconst_<i> 代表了一个指令族，它的意思是把整数 i 放入操作数栈中，i 的范围是(m1, 0, 1, 2, 3, 4, 5)，其中 m1 代表的是 -1。注意，这里的 i 并不是指令的操作数（即非嵌入式操作数，也非栈内操作数），如 iconst_1、iconst_2 和 iconst3 都是由一个字节组成的字节码指令。我们可以把 i 可以看作是指令的 “隐含操作数”，即指令本身就蕴含了操作数。如果整数 i 超过 [-1, 5] 这个范围，就不能用 iconst<i> 表示了，因为仅一个字节的字节码指令不可能蕴含所有的整数。此时就需要 bipush 这条指令了，这条指令有一个嵌入式操作数，由一个字节组成，用来表示要放入栈顶的那个整数，该整数放入栈顶时通过扩展符号位变为 32 位的整型。但是一个字节也表示不了所有的整数，如果整数值超过一个字节所能表示的范围，就只能通过 ldc 这条指令了，这条指令带有一个字节的嵌入式操作数，它代表的是一个指向运行时常量池中 Constant_Integer_info 类型常量的索引，通过索引的方式引用运行时常量池中的整数，再大的整数也不怕了。