java中的棧幀

jeyhan 發(fā)布于2019-08-19 10:21 / 2940人閱讀

摘要：對于執(zhí)行引擎來說，在活動線程中，只有位于棧頂?shù)臈攀亲钣行У姆Q為當(dāng)前棧幀與這個棧幀相關(guān)聯(lián)的方法稱為當(dāng)前方法。執(zhí)行引擎運行的所有的字節(jié)碼指令都只針對當(dāng)前棧幀進(jìn)行操作。

棧幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

棧幀(Stack Frame)是用來支持虛擬機進(jìn)行方法調(diào)用和方法執(zhí)行的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它是虛擬機運行時數(shù)據(jù)區(qū)中的虛擬機棧的棧元素。

棧幀(Stack Frame)存儲了方法的局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)連接、和方法返回地址、額外的附加信息。

每個方法在執(zhí)行的同時，都會創(chuàng)建一個棧幀(Stack Frame)。每一個方法從調(diào)用開始至執(zhí)行完成的過程，都對應(yīng)著一個棧幀在虛擬機棧里面從入棧到出棧的過程。

棧幀的內(nèi)存分配

在編譯程序代碼的時候，棧幀中需要多大的局部變量表，多深的操作數(shù)棧都已經(jīng)完全確定了，并且寫入到方法表的Code屬性中了，因此一個棧幀需要分配多少內(nèi)存，不會受到程序運行期變量數(shù)據(jù)的影響，而僅僅取決于具體虛擬機的實現(xiàn)。

當(dāng)前棧幀(Current Stack Frame)

一個線程中的方法調(diào)用鏈可能會很長，很多方法都同時處于執(zhí)行狀態(tài)。對于執(zhí)行引擎來說，在活動線程中，只有位于棧頂?shù)臈攀亲钣行У?稱為當(dāng)前棧幀(Current Stack Frame),與這個棧幀相關(guān)聯(lián)的方法稱為當(dāng)前方法。執(zhí)行引擎運行的所有的字節(jié)碼指令都只針對當(dāng)前棧幀進(jìn)行操作。在概念模型上，典型的棧幀結(jié)構(gòu)圖如下：

局部變量表

局部變量表(Local Variable Table)是一組變量值存貯空間，用于存放方法參數(shù)和方法內(nèi)定義的局部變量。在Java程序編譯為Class文件時候，就在方法的Code屬性的max_locals數(shù)據(jù)項中確定了該方法所需要分配的局部變量表的最大容量。單位為Slot

局部變量表的容量以變量槽(Variable Slot)為最小單位。每個變量槽都可以存儲32位長度的內(nèi)存空間，例如boolean、byte、char、short、int、float、reference。

對于64位長度的數(shù)據(jù)類型（long，double），虛擬機會以高位對齊方式為其分配兩個連續(xù)的Slot空間，也就是相當(dāng)于把一次long和double數(shù)據(jù)類型讀寫分割成為兩次32位讀寫。

整型

整型	字節(jié)(b)	bite(位)
byte	1	1*8
short	2	2*8
int	4	4*8
long	8	8*8

浮點型

浮點型	字節(jié)(b)	bite(位)
float	4	4*8
double	8	8*8

Char類型

char類型	字節(jié)(b)	bite(位)
char	2	2*8

布爾型

布爾型	字節(jié)(b)	bite(位)
boolean	1	1*8

其中:8bit=1b [一個Byte等于8個bit（位）]，1024b=1kb

為了節(jié)省棧幀空間，局部變量表中的Slot是可以重用的，方法體中定義的變量，其作用域并不一定會覆蓋整個方法體，如果當(dāng)前字節(jié)碼PC計數(shù)器的值已經(jīng)超過了某個變量的作用域，那么這個變量對應(yīng)的Slot就可以交給其他變量使用。
優(yōu)點：節(jié)省棧幀空間。
缺點：影響到系統(tǒng)的垃圾收集行為。（如大方法占用較多的Slot，執(zhí)行完該方法的作用域后沒有對Slot賦值或者清空設(shè)置null值，垃圾回收器便不能及時的回收該內(nèi)存。）

操作數(shù)棧

操作數(shù)棧(operand Stack)也常稱為操作棧，它是一個后入先出棧。和局部變量表一樣，操作數(shù)棧的最大深度也在編譯的時候?qū)懭氲紺ode屬性的max_stacks中。

操作數(shù)棧的每一個元素可用是任意的Java數(shù)據(jù)類型，包括long和double。32位數(shù)據(jù)類型所占的棧容量為1，64位數(shù)據(jù)類型占用的棧容量為2。

當(dāng)一個方法剛剛開始執(zhí)行的時候，這個方法的操作數(shù)棧是空的，在方法執(zhí)行的過程中，會有各種字節(jié)碼指令往操作數(shù)棧中寫入和提取內(nèi)容，也就是出棧 / 入棧操作。例如，在做算術(shù)運算的時候是通過操作數(shù)棧來進(jìn)行的，又或者在調(diào)用其它方法的時候是通過操作數(shù)棧來進(jìn)行參數(shù)傳遞的。

動態(tài)連接

每個棧幀都包含一個指向運行時常量池中該棧幀所屬方法的引用，持有這個引用是為了支持方法調(diào)用過程中的動態(tài)連接（Dynamic Linking）。

Class文件的常量池中存在大量符號引用，字節(jié)碼中的方法調(diào)用指令就以常量池中指向方法的符號引用作為參數(shù)，這些符號引用一部分在類加載階段中的解析階段會轉(zhuǎn)為直接引用，這種轉(zhuǎn)化也稱為靜態(tài)解析。另外的一部分將在每一次運行時期轉(zhuǎn)化為直接引用。這部分稱為動態(tài)連接。

方法返回地址

當(dāng)一個方法開始執(zhí)行后，只有2種方式可以退出這個方法：

方法返回指令：執(zhí)行引擎遇到一個方法返回的字節(jié)碼指令，這時候有可能會有返回值傳遞給上層的方法調(diào)用者，這種退出方式稱為正常完成出口。

異常退出：在方法執(zhí)行過程中遇到了異常，并且沒有處理這個異常，就會導(dǎo)致方法退出。

無論采用任何退出方式，在方法退出之后，都需要返回到方法被調(diào)用的位置，程序才能繼續(xù)執(zhí)行，方法返回時可能需要在棧幀中保存一些信。用來幫助恢復(fù)它的上層方法的執(zhí)行狀態(tài)。

方法退出的過程實際上就等于把當(dāng)前棧幀出棧，因此退出可能執(zhí)行的操作有：
1.恢復(fù)上層方法的局部變量表和操作數(shù)棧
2.把返回值(如果存在返回值)壓入調(diào)用者棧幀的操作數(shù)棧中
3.調(diào)整PC計數(shù)器的值以指向方法調(diào)用指令后面的一條指令

附加信息

虛擬機規(guī)范允許具體的虛擬機實現(xiàn)增強一些規(guī)范里沒有描述的信息到棧幀之中，例如與調(diào)試相關(guān)的信息，這部分信息取決于具體的虛擬機實現(xiàn)。