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Java JVM学习-虚拟机栈

前言​

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（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），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。结合 JVM 虚拟机规范，来探讨一下经典的 JVM 内存布局。

运行时数据区的结构

Java 虚拟机定义了若干种程序运行期间会使用到的运行时数据区，其中有一些会随着虚拟机启动而创建，随着虚拟机退出而销毁。另外一些则是与线程一一对应的，这些与线程对应的数据区域会随着线程开始和结束而创建和销毁。

  • 每个线程：独立包括程序计数器（PC寄存器）、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）

看如下图，PC寄存器和虚拟机栈是分开的 image.png

JVM 中的线程​

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。

后台有许多线程在运行。这些后台线程不包括 main 线程以及所有这个 main 线程自己创建的线程。后台系统在 Hotspot JVM 里主要是有以下几个线程：

  • 虚拟机线程：这种线程的操作是需要 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。

PC 寄存器（程序计数寄存器）​

JVM 中的程序计数寄存器（Program Counter Register）中，Register 的命名源于 CPU 的寄存器，寄存器存储指令相关的现场信息。CPU 只有把数据装载到寄存器才能够运行。

Java 程序计数器只会保留下一条要执行的指令地址（一条指令一定会被执行完，它是原子性的，所以无需担心线程切换的问题）

image.png

这里，并非是广义上所指的物理寄存器，或许将其翻译为 PC 计数器（或指令计数器）会更加贴切（也称为程序钩子），并且也不容易引起一些不必要的误会。JVM 中的 PC 寄存器是对物理 PC 寄存器的一种抽象模拟。

1、它是一块很小的内存空间，几乎可以忽略不记。也是运行速度最快的存储区域。

2、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。

3、任何时间一个线程都只有一个方法在执行，也就是所谓的 当前方法（最上面的栈帧）。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（undefend）。

4、它是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。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。

5、它是唯一一个在 Java 虚拟机规范中没有规定任何 OutOtMemoryError 情况（内存溢出）的区域，同时它也没有垃圾回收，因为它就只是存储一个地址，其不断的替换为下一个地址（栈也没有垃圾回收，因为它本身就不断的入栈出栈）。

作用：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。

image.png

上面一个栈帧对应一个方法，而 PC寄存器就执行这个栈帧需要执行的下一条语句

例如编译下面这个代码，生成的 Class 文件

public class Temp {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 99;
        int j = 88;
        int k = i + j;
    }
}

左边的这个数字就是指令地址（偏移地址），寄存器里面存的就是这个地址，右边存的就是操作指令

 0 bipush 99
 2 istore_1
 3 bipush 88
 5 istore_2
 6 iload_1
 7 iload_2
 8 iadd
 9 istore_3
10 return

image.png

常见问题​

使用PC寄存器存储字节码指令地址有什么用呢？

因为 CPU 需要不停的切换各个线程，这时候切换回来以后，就得知道接着从哪开始继续执行。JVM 的字节码解释器就需要通过改变 PC 寄存器的值来明确下一条应该执行什么样的字节码指令。

PC寄存器为什么被设定为私有的？

由于 CPU 时间片轮限制，众多线程在并发执行过程中，任何一个确定的时刻，一个处理器或者多核处理器中的一个内核，只会执行某个线程中的一条指令。为了能够准确地记录各个线程正在执行的当前字节码指令地址，最好的办法自然是为每一个线程都分配一个 PC寄存器和栈帧，这样一来各个线程之间便可以进行独立计算，从而不会出现相互干扰的情况。

虚拟机栈​

栈管运行，堆管存储

虚拟机栈概述​

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。

栈式架构优点是跨平台，指令集小，编译器容易实现，缺点是性能下降，实现同样的功能需要更多的指令。

栈和堆有什么区别？

首先栈是运行时的单位，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

Java 虚拟机栈是什么？​

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。

生命周期

生命周期和线程一致，也就是线程结束了，该虚拟机栈也销毁了

栈的特点

栈是一种快速有效的分配存储方式，访问速度仅次于程序计数器。JVM 直接对 Java栈的操作只有两个：

  • 每个方法执行，伴随着进栈（入栈、压栈）
  • 执行结束后的出栈工作

对于栈来说不存在垃圾回收问题，但是栈存在溢出的情况

栈中可能出现的异常​

Java 虚拟机规范允许 Java栈的大小是动态的或者是固定不变的。

如果采用固定大小的 Java虚拟机栈，那每一个线程的 Java虚拟机栈容量可以在线程创建的时候独立选定。如果线程请求分配的栈容量超过 Java虚拟机栈允许的最大容量，Java虚拟机将会抛出一个 StackoverflowError 异常。

如果 Java虚拟机栈可以动态扩展，并且在尝试扩展的时候无法申请到足够的内存，或者在创建新的线程时没有足够的内存去创建对应的虚拟机栈，那 Java虚拟机将会抛出一个 OutOtMemoryError 异常。

例如：如下这种无限递归

public class StackErrorTest {
    private static int count = 1;
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(count++);
        main(args);
    }
}

设置栈内存大小​

默认情况下，各个操作系统默认分配的栈大小如下

Linux/x64(64-bit): 1024 KB
macOS(64-bit): 1024 KB
Windows: 取决于虚拟机内存大小

可以使用参数 -Xss 选项来设置线程的最大栈空间，栈的大小直接决定了函数调用的最大可达深度，它可以设置不同的单位，如下所示

-Xss1m
-Xss1024k
-Xss1048576

上面这个参数直接加在 IDEA 虚拟机启动参数那里就行了

栈的存储单位​

每个线程都有自己的栈，栈中的数据都是以栈帧（Stack Frame）的格式存在。

image.png

在这个线程上正在执行的每个方法都各自对应一个栈帧（Stack Frame）。

栈帧是一个内存区块，是一个数据集，维系着方法执行过程中的各种数据信息。

栈中存储什么？​

每个线程都有自己的栈，栈中的数据都是以栈帧（Stack Frame）的格式存在。在这个线程上正在执行的每个方法都各自对应一个栈帧（Stack Frame）。栈帧是一个内存区块，是一个数据集，维系着方法执行过程中的各种数据信息。

OOP的基本概念：类和对象

类中基本结构：field（属性、字段、域）、method

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。

在一条活动线程中，一个时间点上，只会有一个活动的栈帧。即只有当前正在执行的方法的栈帧（栈顶栈帧）是有效的，这个栈帧被称为 当前栈帧（Current Frame），与当前栈帧相对应的方法就是 当前方法（Current Method），定义这个方法的类就是 当前类（Current Class）。

image.png

执行引擎运行的所有字节码指令只针对当前栈帧进行操作。

如果在该方法中调用了其他方法，对应的新的栈帧会被创建出来，放在栈的顶端，成为新的当前帧。

栈运行原理​

不同线程中所包含的栈帧是 不允许存在相互引用的，即不可能在一个栈帧之中引用另外一个线程的栈帧。

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。

Java 方法有两种返回函数的方式，一种是正常的函数返回，使用 return 指令；另外一种是抛出异常。不管使用哪种方式，都会导致栈帧被弹出。

栈帧的内部结构​

每个栈帧中存储着：

  • 局部变量表（Local Variables）
  • 操作数栈（operand Stack）（或表达式栈）
  • 动态链接（Dynamic Linking）（或指向运行时常量池的方法引用）
  • 方法返回地址（Return Address）（或方法正常退出或者异常退出的定义）
  • 一些附加信息

有些教程会把 动态链接、方法返回地址、一些附加信息 统称为帧数据区

image.png

局部变量表​

局部变量表：Local Variables，被称之为局部变量数组或本地变量表，这个局部变量表就是一个数字数组，主要用于存方法里面的形参、局部变量、方法返回值等，这些数据类型包括各类基本数据类型、对象引用（reference），以及 returnAddress 类型。方法嵌套调用越多，这个局部变量表就越大

image.png

由于局部变量表是建立在线程的栈上，是线程的私有数据，因此不存在数据安全问题

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。

局部变量表所需的容量大小是在编译期确定下来的，并保存在方法的 Code 属性的 maximum local variables 数据项中（字节码文件解析时可以看到）。在方法运行期间是不会改变局部变量表的大小的。

public class Temp {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 99;
        int j = 88;
        int k = i + j;
    }
}

如上代码所示，包括一个 main 函数的形参（args）和三个局部变量，因此 maximum local variables 显示为 4

image.png

局部变量表 的 Slot​

参数值的存放总是在局部变量数组的 index0 开始，到数组长度 -1 的索引结束。

局部变量表，最基本的存储单元是 Slot（变量槽）局部变量表中存放编译期可知的各种基本数据类型（8种），引用类型（reference），returnAddress 类型的变量。

在局部变量表里，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。 long 和 double 则占据两个 slot。

JVM 会为局部变量表中的每一个 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

image.png

当一个实例方法被调用的时候，它的方法参数和方法体内部定义的局部变量将会按照顺序被复制到局部变量表中的每一个 Slot 上

如果需要访问局部变量表中一个 64bit 的局部变量值时，占据了两个槽（如上图所示），使用的是这两个槽的第一个索引。（比如 m 变量使用的是 1 索引）

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 将会存放在 index 为 0 的 Slot 处，其余的参数按照参数表顺序继续排列。（所以可以理解为什么 static 里面不能使用 this，因为局部变量表里面没有 this）

Slot 的重复利用

栈帧中的局部变量表中的槽位是可以重用的，如果一个局部变量过了其作用域，那么在其作用域之后申明的新的局部变就很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。

public class Temp {
    public static void main(String[] args) {
        {
            int a = 0;
            System.out.println(a);
        }
        // 此时的 b 就会复用 a 的槽位
        int b = 0;
    }
}

静态变量和局部变量​

变量的分类：

按数据类型分：基本数据类型、引用数据类型

按类中声明的位置分：成员变量（类变量，实例变量）、局部变量

  • 类变量：linking 的 Preparation 阶段，给类变量默认赋值，init 阶段给类变量显示赋值即静态代码块
  • 实例变量：随着对象创建，会在堆空间中分配实例变量空间，并进行默认赋值
  • 局部变量：在使用前必须进行显式赋值，不然编译不通过。

参数表分配完毕之后，再根据方法体内定义的变量的顺序和作用域分配。

类变量（static 修饰的变量）有两次初始化的机会，第一次是在 “准备阶段”，执行系统初始化，对类变量设置零值，另一次则是在 “初始化” 阶段，赋予程序员在代码中定义的初始值。和类变量初始化不同的是，局部变量表不存在系统初始化的过程，这意味着一旦定义了局部变量则必须人为的初始化，否则无法使用。

在栈帧中，与性能调优关系最为密切的部分就是前面提到的局部变量表。在方法执行时，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）

操作数栈：Operand Stack，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。它就是 JVM 执行引擎的一个工作区，当一个方法刚开始执行的时候，一个新的栈帧也会随之被创建出来，这个方法的操作数栈是空的。

操作数栈在方法执行过程中，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），某些字节码指令将值压入操作数栈，其余的字节码指令将操作数取出栈。使用它们后再把结果压入栈

比如：执行复制、交换、求和等操作

image.png

每一个操作数栈都会拥有一个明确的栈深度用于存储数值，其所需的最大深度在编译期就定义好了，保存在方法的 Code 属性中，为 maxstack 的值。

栈中的任何一个元素都是可以任意的 Java 数据类型

  • 32bit 的类型占用一个栈单位深度
  • 64bit 的类型占用两个栈单位深度

操作数栈并非采用访问索引的方式来进行数据访问的，而是 只能通过标准的入栈和出栈操作来完成一次数据访问

如果被调用的方法带有返回值的话，其返回值将会被压入当前栈帧的操作数栈中，并更新 PC寄存器中下一条需要执行的字节码指令。

操作数栈中元素的数据类型必须与字节码指令的序列严格匹配，这由编译器在编译器期间进行验证，同时在类加载过程中的类检验阶段的数据流分析阶段要再次验证。

另外，我们说Java虚拟机的解释引擎是基于栈的执行引擎，其中的栈指的就是操作数栈。

image.png

这些字节码指令就是在操作数栈里面执行的，例如这里的 bipush 15、bipush 8 就是让常量 15、8 先插入入操作数栈，然后下一步再塞入局部变量表（这个例子下面会详讲）

栈中的任何一个元素都是可以任意的 Java 数据类型

详细的指令执行过程​

public class Temp {
    public static void main(String[] args) {
        // byte、short、char、boolean：都是以 int 型来保存的
        byte i = 15;
        int j = 8;
        int k = i + j;
    }
}

上面 byte、short、char、boolean 类型都是以 int 型来保存的，所以下面字节码指令里 istore_1 前面的这个 i 就是指 int

执行流程如下所示：

首先执行第一条语句，PC寄存器指向的是0，也就是指令地址为0，然后使用 bipush 让操作数15入栈。

image.png

执行完后，让PC + 1，指向下一行代码，下一行代码就是将操作数栈的元素存储到局部变量表1 的位置，我们可以看到局部变量表的已经增加了一个元素

image.png

为什么局部变量表不是从0 开始的呢？其实局部变量表是从0开始的，但是因为0号位置存储的是 this 指针，所以这里就直接省略了

然后 PC+1，指向的是下一行。让操作数 8 也入栈，同时执行 store 操作，存入局部变量表中

image.png

然后从局部变量表中，依次将数据放在操作数栈中

image.png

然后将操作数栈中的两个元素执行相加操作，并存储在局部变量表 3 的位置

image.png

最后 PC 寄存器的位置指向 10，也就是 return 方法，则直接退出方法

如上可见，这个操作数栈至始至终都最多不超过两个数在操作，因此它的 maxstack 为 2

image.png

上面还有一句：“如果被调用的方法带有返回值的话，其返回值将会被压入当前栈帧的操作数栈中” 如何理解呢？

public class Temp {
    private void testGetSum() {
        // 获取上一个栈帧的结果，并保存到操作数栈里面
        int result = getSum();
    }

    private int getSum() {
        int m = 10;
        int n = 20;
        int k = m + n;
        return k;
    }
}

如上的代码 testGetSum() 内部调用了 getSum() 方法，然后看一下它们生成的字节码指令

getSum() 方法的 Code

 0 bipush 10
 2 istore_1
 3 bipush 20
 5 istore_2
 6 iload_1
 7 iload_2
 8 iadd
 9 istore_3
10 iload_3
11 ireturn

testGetSum() 方法的 Code

0 aload_0
1 invokespecial #2 <test/Temp.getSum>
4 istore_1
5 return

看这里的 aload_0 上来就加载上一个栈帧的结果到操作数栈里面

栈顶缓存技术​

栈顶缓存技术：Top Of Stack Cashing

前面提过，基于栈式架构的虚拟机所使用的零地址（就是指栈无需地址，它只需考虑入栈和出栈）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。

寄存器：指令更少，执行速度快

动态链接是什么？​

动态链接：Dynamic Linking 就是指向运行时常量池的方法引用（多态实际上也是用这个动态链接实现的）

image.png

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让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。

在字节码文件中专门有个区域是常量池

如下这个代码的生成的字节码文件对应的常量池

public class Temp {
    private void methodA() {
        System.out.println("这是方法A..");
    }


    private void methodB() {
        System.out.println("这是方法B..");
        methodA();
    }
}

常量池，只要是没有返回值的（void）都来引用下面那个 ()V

Constant pool:
   #1 = Methodref          #8.#20         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #21.#22        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #3 = String             #23            // 这是方法A..
   #4 = Methodref          #24.#25        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
   #5 = String             #26            // 这是方法B..
   #6 = Methodref          #7.#27         // test/Temp.methodA:()V
   #7 = Class              #28            // test/Temp
   #8 = Class              #29            // java/lang/Object
   #9 = Utf8               <init>
  #10 = Utf8               ()V          
  #11 = Utf8               Code
  #12 = Utf8               LineNumberTable
  #13 = Utf8               LocalVariableTable
  #14 = Utf8               this
  #15 = Utf8               Ltest/Temp;
  #16 = Utf8               methodA
  #17 = Utf8               methodB
  #18 = Utf8               SourceFile
  #19 = Utf8               Temp.java
  #20 = NameAndType        #9:#10         // "<init>":()V
  #21 = Class              #30            // java/lang/System
  #22 = NameAndType        #31:#32        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #23 = Utf8               这是方法A..
  #24 = Class              #33            // java/io/PrintStream
  #25 = NameAndType        #34:#35        // println:(Ljava/lang/String;)V
  #26 = Utf8               这是方法B..
  #27 = NameAndType        #16:#10        // methodA:()V
  ...

再来看一下生成的字节码指令，这里的 invokespecial 就是链接指令

Code:
  stack=1, locals=1, args_size=1
     0: aload_0
     1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
     4: return

为什么需要常量池​

在不同的方法，都可能调用常量或者方法，所以只需要存储一份即可，节省了空间

而常量池的作用：就是为了提供一些符号和常量，便于指令的识别

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

来回顾一下这图的运行时数据区：

两种链接方式的区别​

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，这种情况下降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，只能够在程序运行期将调用的方法的符号转换为直接引用，由于这种引用转换过程具备动态性，因此也被称之为动态链接。

绑定机制​

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：对应静态链接

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。

晚期绑定：对应动态链接

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。

比如多态使用的就是晚期绑定，如下，只有在运行时才知道具体调用的是哪个实现类的方法

public class Temp {
    public static void main(String[] args) {
        eat(new Cat());
    }

    private static void eat(Animal animal) {
        animal.eat();
    }

    interface Animal {
        void eat();
    }

    static class Cat implements Animal {

        @Override
        public void eat() {
            System.out.println("🐟 真好吃");
        }
    }

    static class Dog implements Animal {

        @Override
        public void eat() {
            System.out.println("🍖 真好吃");
        }
    }
}

eat 方法生成的字节码指令

0 aload_0
1 invokeinterface #5 <test/Temp$Animal.eat> count 1
6 return

这里的 invokeinterface 就是晚期绑定，而如果方法里面调用了 this()、super() 这种方法就是早期绑定

早晚期绑定的发展历史​

随着高级语言的横空出世，类似于 Java一样的基于面向对象的编程语言如今越来越多，尽管这类编程语言在语法风格上存在一定的差别，但是它们彼此之间始终保持着一个共性，那就是都支持封装、继承和多态等面向对象特性，既然这一类的编程语言具备多态特性，那么自然也就具备早期绑定和晚期绑定两种绑定方式。

Java中任何一个普通的方法其实都具备虚函数的特征，它们相当于 C++ 语言中的虚函数（C++ 中则需要使用关键字 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时，则可以使用关键字 final 来标记这个方法。

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。
  • 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。

子类对象的多态的使用前提

  • 类的继承关系
  • 方法的重写

虚拟机中提供了以下几条方法调用指令：

普通调用指令：

  • invokestatic：调用静态方法，解析阶段确定唯一方法版本（非虚方法）
  • invokespecial：调用方法、私有及父类方法，解析阶段确定唯一方法版本（非虚方法）
  • invokevirtual：调用所有虚方法（虚方法）
  • invokeinterface：调用接口方法（虚方法）

动态调用指令：

  • invokedynamic：动态解析出需要调用的方法，然后执行

前四条指令固化在虚拟机内部，方法的调用执行不可人为干预，而 invokedynamic 指令则支持由用户确定方法版本。其中 invokestatic 指令和 invokespecial 指令调用的方法称为非虚方法，其余的（final 修饰的除外）称为虚方法。

invokedynamic指令​

JVM 字节码指令集一直比较稳定，一直到 Java7 中才增加了一个 invokedynamic 指令，这是 Java 为了实现动态类型语言支持而做的一种改进。

但是在 Java7 中并没有提供直接生成 invokedynamic 指令的方法，需要借助 ASM 这种底层字节码工具来产生 invokedynamic 指令。直到 Java8 的 Lambda 表达式的出现，invokedynamic 指令的生成，在 Java 中才有了直接的生成方式。

Java7 中增加的动态语言类型支持的本质是对 Java 虚拟机规范的修改，而不是对 Java 语言规则的修改，这一块相对来讲比较复杂，增加了虚拟机中的方法调用，最直接的受益者就是运行在 Java 平台的动态语言的编译器。（因为 JVM 是跨语言的虚拟机，像一些动态语言就可以直接使用这个指令）

动态类型和静态类型语言​

动态类型语言和静态类型语言两者的区别就在于 对类型的检查是在编译期还是在运行期，满足前者就是静态类型语言，反之是动态类型语言。

  • 静态类型语言是判断变量自身的类型信息；
  • 动态类型语言是判断变量值的类型信息，变量没有类型信息，变量值才有类型信息，这是动态语言的一个重要特征。

Java 是静态类型语言的，会先编译就进行类型检查

String info = "hello Java";

JavaScript 运行时才进行检查

let name = "Hello Javascript";
name = 10;

方法重写的本质​

方法重写的本质就是当前调用的类没有找到这个方法的实现，就往上找父类（只有虚方法这么麻烦，因为只有它会被重写）

这里描述一下寻找被调方法的具体步骤

1、找到操作数栈顶的第一个元素所执行的对象的实际类型，记作 C。

2、因为方法可能存在重写，这步就是找到引用的方法具体位置：如果在类型 C 中找到与形参符合且简单名称都相符的方法，则对其进行访问权限校验（看是否有权限调用），如果权限无问题就返回这个方法的直接引用，查找过程结束；如果无权限（private），则返回 java.lang.IllegalAccessError 异常。

3、如果在上面的 C 里没有找到相符的方法，说明这个方法可能是父类的方法，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。

4、如果始终没有找到合适的方法，则抛出 java.lang.AbstractMethodError 异常，说明这个方法是抽象类（或者接口）中没有被重写的方法。

IllegalAccessError：程序试图访问或修改一个属性或调用一个方法，而没有权限访问，会引起编译器异常。这个错误如果发生在运行时，就说明一个类发生了不兼容的改变。

方法的调用：虚方法表​

就是对上面不断的查找虚方法实际位置的一个优化

在面向对象的编程中，会很频繁的使用到动态分派（就是方法可能会被重写），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。

下面这个 Son类 继承自 Father类但是这个 Son类重写了 hardChoice、hardChoice 方法，所以虚方法表各自指向它们自己

image.png

如上图所示：如果类中重写了方法，那么调用的时候，就会直接在虚方法表中查找，否则将会直接连接到 Object 的方法中。

虚方法表是什么时候被创建的呢？

虚方法表会在类加载的链接阶段（就是解析阶段）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​

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。

因为在栈帧内调用其它方法会让其它方法入栈，为了让新方法执行完还能回来继续执行，需要要保存新方法入栈前的 pc寄存器的值，这个保存的位置就是 “方法返回地址”（return address）

image.png

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

正常完成出口和异常完成出口的区别在于：通过异常完成退出的不会给他的上层调用者产生任何的返回值。

无论通过哪种方式退出，在方法退出后都需要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。
  • 异常退出时：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。

方法正常退出时

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 和 int 类型时使用），
  • lreturn（Long类型）
  • freturn（Float类型）
  • dreturn（Double类型）
  • areturn
  • return （void 的方法，实例初始化方法，类和接口的初始化方法使用）

异常退出时

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。

方法执行过程中，抛出异常时的异常处理，存储在一个异常处理表，方便在发生异常的时候找到处理异常的代码

image.png

栈的相关面试题​

举例栈溢出的情况？（StackOverflowError）

递归没有设置条件 可以通过 -Xss 设置栈的大小

调整栈大小，就能保证不出现溢出么？

不能保证不溢出，只要出现递归不设条件就会溢出（只能拉长栈溢出时间）

分配的栈内存越大越好么？

不是，一定时间内降低了 OOM 概率，但是会挤占其它的线程空间，因为整个空间是有限的。

垃圾回收是否涉及到虚拟机栈？

不会，因为入栈出栈无需垃圾回收（程序计数器、本地方法栈（native method Stack）、虚拟机栈都无需 GC）

方法中定义的局部变量是否线程安全？

局部变量在内部产生在内部消亡，就不存在线程安全的问题，但是可能会出现 逃逸分析 的情况，如下代码所示（method04）

public class Temp {
    /**
     * 因为只有一个线程能操作变量 s1，所以它是线程安全的
     */
    public static void method01() {
        // stringBuilder 是线程不安全的，要线程安全得用 StringBuffer
        StringBuilder s1 = new StringBuilder();
        s1.append("a");
        s1.append("b");
        // ...
    }

    /**
     * stringBuilder 是传递进来的，所以 stringBuilder 实际已经不算局部参数了，但是
     * 这里主要是举这种情况的例子
     *
     * stringBuilder 是线程不安全的，操作的是共享数据（method03 传进来的）
     */
    public static void method02(StringBuilder stringBuilder) {
        stringBuilder.append("a");
        stringBuilder.append("b");
    }


    /**
     * 同时并发的执行，会出现线程不安全的问题
     */
    public static void method03() {
        StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
        new Thread(() -> {
            stringBuilder.append("a");
            stringBuilder.append("b");
        }, "t1").start();

        method02(stringBuilder);
    }


    /**
     * 线程不安全的，因为这个返回值，有可能被其它的程序所调用（逃逸分析）
     */
    public static StringBuilder method04() {
        StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
        stringBuilder.append("a");
        stringBuilder.append("b");
        return stringBuilder;
    }


    /**
     * StringBuilder 是线程安全的，因为返回的是 toString
     * 
     * 这个 toString 方法内部如下
     * return new String(value, 0, count);
     * 而 string 是不可变的，所以是安全的
     */
    public static String method05() {
        StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
        stringBuilder.append("a");
        stringBuilder.append("b");
        return stringBuilder.toString();
    }
}