Java 虚拟机栈的定义

Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack），早期也叫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（Stack Frame），对应着一次次的Java方法调用，是线程私有的。

其中栈帧用于存放该方法运行过程中的一些信息，如：

局部变量表
操作数栈
动态链接
方法出口信息

虚拟机栈有以下特点：

运行速度特别快,仅仅次于 PC 寄存器。
局部变量表随着栈帧的创建而创建，它的大小在编译时确定，创建时只需分配事先规定的大小即可。在方法运行过程中，局部变量表的大小不会发生改变。
Java 虚拟机栈会出现两种异常：StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError。
- StackOverFlowError 若 Java 虚拟机栈的大小不允许动态扩展，那么当线程请求栈的深度超过当前 Java 虚拟机栈的最大深度时，抛出 StackOverFlowError 异常。
- OutOfMemoryError 若允许动态扩展，那么当线程请求栈时内存用完了，无法再动态扩展时，抛出 OutOfMemoryError 异常。
Java 虚拟机栈也是线程私有，随着线程创建而创建，随着线程的结束而销毁。
出现 StackOverFlowError 时，内存空间可能还有很多。
我们可以使用参数 -Xss选项来设置线程的最大栈空间

压栈出栈过程

当方法运行过程中需要创建局部变量时，就将局部变量的值存入栈帧中的局部变量表中。

Java 虚拟机栈的栈顶的栈帧是当前正在执行的活动栈，也就是当前正在执行的方法，PC 寄存器也会指向这个地址。只有这个活动的栈帧的本地变量可以被操作数栈使用，当在这个栈帧中调用另一个方法，与之对应的栈帧又会被创建，新创建的栈帧压入栈顶，变为当前的活动栈帧。

方法结束后，当前栈帧被移出，栈帧的返回值变成新的活动栈帧中操作数栈的一个操作数。如果没有返回值，那么新的活动栈帧中操作数栈的操作数没有变化。

由于 Java 虚拟机栈是与线程对应的，数据不是线程共享的（也就是线程私有的)，因此不用关心数据一致性问题，也不会存在同步锁的问题。

局部变量表

定义为一个数字数组，主要用于存储方法参数、定义在方法体内部的局部变量，数据类型包括各类基本数据类型，对象引用，以及 return address 类型。

局部变量表容量大小是在编译期确定下来的。最基本的存储单元是 slot。

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值到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。

对于 slot 的理解：

JVM 虚拟机会为局部变量表中的每个 slot 都分配一个访问索引，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。
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，会存放在 index 为 0 的 slot 处，其余的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复的，如果一个局部变量过了其作用域，那么其作用域之后申明的新的局部变量就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。
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。 byte、short、char 在存储前被转换为int，boolean也被转换为int，0表示false，非0表示true。

在栈帧中，与性能调优关系最密切的部分，就是局部变量表，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。

操作数栈

每一个独立的栈帧除了包含局部变量表以外，还包含一个后进先出（Last-In-First-Out）的操作数栈，也可以称之为表达式栈（Expression Stack），在方法执行过程中，根据字节码指令，往栈中写入数据或提取数据，即入栈（push）和出栈（pop）。

操作数栈，主要用于保存计算过程的中间结果，同时作为计算过程中变量临时的存储空间。

操作数栈就是JVM执行引擎的一个工作区。打个比方，如果说局部变量表是货架的话，操作数栈相当于是个操作台，当某个物品需要维修、组装的时候，把它拿到操作台上（入栈 push），操作结束的时候，就被拿走了（出栈 pop）。

每一个操作数栈会拥有一个明确的栈深度，用于存储数值，最大深度在编译期就定义好。32bit 类型占用一个栈单位深度，64bit 类型占用两个栈单位深度操作数栈。
并非采用访问索引方式进行数据访问，而是只能通过标准的入栈、出栈操作完成一次数据访问。

前面提过，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。

动态连接(或指向运行时常量池的方法引用)

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）。

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

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相关，这里关于方法的调用做以下拓展：

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，且运行时期间保持不变，这种情况下降调用方的符号引用转为直接引用的过程称为静态链接。
动态链接：如果被调用的方法无法再编译期被确定下来，只能在运行期将调用的方法的符号引用转为直接引用，这种引用转换过程具备动态性，因此被称为动态链接。
方法绑定
- 早期绑定：被调用的目标方法如果再编译期可知，且运行期保持不变。
- 晚期绑定：被调用的方法在编译期无法被确定，只能够在程序运行期根据实际的类型绑定相关的方法。
非虚方法：如果方法在编译期就确定了具体的调用版本，则这个版本在运行时是不可变的。这样的方法称为非虚方法静态方法，私有方法，final 方法，实例构造器，父类方法都是非虚方法,除了这些以外都是虚方法。
虚方法表：面向对象的编程中，会很频繁的使用动态分配，如果每次动态分配的过程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，使用索引表来代替查找。
- 每个类都有一个虚方法表，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 会把该类的方法也初始化完毕。
方法重写的本质
- 找到操作数栈顶的第一个元素所执行的对象的实际类型，记做 C。如果在类型 C 中找到与常量池中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 的各个父类进行上一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。

Java 中任何一个普通方法都具备虚函数的特征（运行期确认，具备晚期绑定的特点），C++ 中则使用关键字 virtual 来显式定义。如果在 Java 程序中，不希望某个方法拥有虚函数的特征，则可以使用关键字 final 来标记这个方法。

私有方法，final 方法，实例构造器，父类方法都是非虚方法，除了这些以外都是虚方法。从这句话可以看出来，凡是可以重写的方法，编译期都无法确定具体的调用版本，就是虚方法；无法重写的方法，编译期都可以确定具体的调用版本，就是非虚方法。

方法返回地址

存放调用该方法的pc寄存器的值。一个方法的结束，有两种方式：

正常执行完成
出现未处理的异常，非正常退出

无论通过哪种方式退出，在方法退出后都返回到该方法被调用的位置。方法正常退出时，调用者的pc计数器的值作为返回地址，即调用该方法的指令的下一条指令的地址。而通过异常退出的，返回地址是要通过异常表来确定，栈帧中一般不会保存这部分信息。

本质上，方法的退出就是当前栈帧出栈的过程。此时，需要恢复上层方法的局部变量表、操作数栈、将返回值压入调用者栈帧的操作数栈、设置PC寄存器值等，让调用者方法继续执行下去。

总结

Java 虚拟机栈也是线程私有，随着线程创建而创建，随着线程的结束而销毁。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。

Java 虚拟机栈的基本组成：

局部变量表：用于存储方法参数、定义在方法体内部的局部变量
操作数栈：主要用于保存计算过程的中间结果，同时作为计算过程中变量临时的存储空间（相当于操作台）
动态连接：指向运行时常量池的方法引用
方法返回地址：存放调用该方法的pc寄存器的值

Java 虚拟机栈会出现两种异常：StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError。

StackOverFlowError 若 Java 虚拟机栈的大小不允许动态扩展，那么当线程请求栈的深度超过当前 Java 虚拟机栈的最大深度时，抛出 StackOverFlowError 异常。
OutOfMemoryError 若允许动态扩展，那么当线程请求栈时内存用完了，无法再动态扩展时，抛出 OutOfMemoryError 异常。

常见面试题：