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B01、运行时数据区-04

🕗 发布于 2024-03-18 13:31 jvm  Java  

1、程序计数器

1.1、概述

Java8虚拟机规范

        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。

        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。

1.2、作用

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。

1.3、介绍

        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。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。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。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；或者，如果是在执行native方法，则是未指定值（undefned）。

        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。它是唯一一个在Java 虚拟机规范中没有规定任何OutOtMemoryError情况的区域。

1.4、两个问题

使用PC寄存器存储字节码指令地址有什么用呢？为什么使用PC寄存器记录当前线程的执行地址呢？

        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寄存器为什么会被设定为线程私有?

        我们都知道所谓的多线程在一个特定的时间段内只会执行其中某一个线程的方法， CPU会不停地做任务切换，这样必然导致经常中断或恢复，如何保证分毫无差呢?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，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。
        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。这样必然导致经常中断或恢复，如何保证分毫无差呢?每个线程在创建后，都会产生自己的程序计数器和栈帧，程序计数器在各个线程之间互不影响。

1.5、CPU时间片

        CPU 时间片即 CPU 分配给各个程序的时间，每个线程被分配一个时间段，称作它的时间片。

  • 在宏观上：我们可以同时打开多个应用程序，每个程序并行不悖，同时运行。
  • 但在微观上：由于只有一个CPU，一次只能处理程序要求的一部分，如何处理公平，一种方法就是引入时间片，每个程序轮流执行。

2、虚拟机栈（Java栈）

2.1、虚拟机栈的特点

2.1.1、虚拟机栈概述

背景：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。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。

        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 。其生命周期是和线程一样的；作用是主管Java程序的运行， 它保存方法的局部变量（8种基本数据类型、对象的引用地址）、部分结果， 并参与方法的调用和返回。

拓展：栈帧与方法是一一对应的，一个方法就对应一个栈帧；此外在栈空间顶部（也就是栈顶）的方法称为当前方法。

2.1.2、内存中的堆与栈

       栈是运行时的单位，而堆是存储的单位。即：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、放在哪儿。

2.1.3、栈的优点

        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（栈帧）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，因为只存在进栈和出栈的操作，但是存在OOM的可能。

2.2、常见异常 & 栈大小配置

2.2.1、栈中可能的异常

        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。

  1. 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Stack Overflow Error异常。
  2. 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OutofMemoryError异常。

StackOverflowErro异常复现：

2.2.2、栈大小配置

关于栈内存大小，官方文档说明详见下述地址：

配置栈内存大小：

2.3、栈的存储单位

2.3.1、栈中存储的内容

        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。

2.3.2、栈运行原理

        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)。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。

        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（即未处理的异常）。不管使用哪种方式，都会导致栈帧被弹出。

2.4、栈帧的内部结构

        每个栈帧（Java方法）存储着以下这些信息：

  • 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

2.5、局部变量表

        局部变量表也被称之为局部变量数组或本地变量表。定义为一个数字数组，主要用于存储方法参数和定义在方法体内的局部变量，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。
        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；此外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。在方法运行期间是不会改变局部变量表的大小的。

        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。

2.6、字节码方法剖析

  • ByteCode：字节码指令区域
  • Exception table：异常表，因为程序没有异常所以这里是空的
  • Misc：其它配置项，比如版本信息以及局部变量表长度和字节码指令代码长度

        LineNumberTable 表示的是当前栈帧（方法）的行号映射表，start PC 指的是在PC寄存器中的位置，LineNumber 对应的是当前行代码在源码文件的所在行。如上图所示：

        LocalVariableTable 就是我们的局部变量表，其中的几个列含义分别如下所示：

  1. index：当前局部变量在局部变量表的位置
  2. Name：指当前局部变量的名称，也就是在源代码里的变量名称
  3. Start PC：即在程序计数器中的索引位置
  4. Descriptor：代表当前变量的类型
    1. [Ljava/lang/String;：指该变量是String[] 
    2. Lorg/blnp/cn/demos/chapter01/LocalVariablesTest;：是自定义对象的引用类型
    3. I;：指int类型
  5. Length：指的是当前变量的作用域范围

        需要特别注意下，在局部变量表的每个变量的 Start PC + Length 都是等于Code Length。也就是说这些变量的作用范围都是在一个方法内。

        比如 test 变量，在局部变量表的 Start PC 是 8，而对应行号表源码的的行是 23.说明从23行下一行开始到方法的最后一行，就是当前变量的作用域范围。

2.6、变量槽 Slot

        关于局部变量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。局部变量表中，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。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，只需要使用前一个索引即可。（比如：访问long或double类型变量)
        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。详见下述：

        看上图的字节码信息，结合源代码，应当知道当前栈帧（方法test1）的局部变量表长度应该是 2 才对，但是在 Misc 配置中显示的却是 3。此时在看布局变量表的内容：

2.7、槽的重复利用

        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量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 void slotTest() {
        int a = 0;
        {
            int b = 0;
            b = a + 1;
        }
        //此时变量c使用之前已经销毁的变量b占据的slot的位置
        int c = a + 1;
    }

        因为变量 b 声明在大括号内，出了大括号变量就被销毁了。根据局部变量表得知：

拓展：

        变量的分类，按照数据类型分：

① 基本数据类型

② 引用数据类型

        按照在类中声明的位置分：

① 成员变量：在使用前，都经历过默认初始化赋值

     类变量：linking的prepare阶段：给类变量默认赋值 ---> initial阶段：给类变量显式赋值即静态代码块赋值

     实例变量：随着对象的创建，会在堆空间中分配实例变量空间，并进行默认赋值

② 局部变量：在使用前，必须要进行显式赋值的！否则，编译不通过

2.8、静态变量与局部变量的对比

        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。我们知道类变量表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。

2.9、操作数栈

        每一个独立的栈帧中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，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）/ 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

        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，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。
        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 max_stack 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（push）和出栈（pop）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。

代码示例：

public void testAddOperation(){
    byte i = 15;
    int j = 8;
    int k = i + j;
}

2.10、栈顶缓存技术

        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。

2.11、动态链接（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）。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。

2.12、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。

  • 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。这种情况下将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方法的符号引用转换为直接引用，由于这种引用转换过程具备动态性，因此也就被称之为动态链接。

        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：

        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：

        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。

/**
 * 说明早期绑定和晚期绑定的例子
 */
class Animal{

    public void eat(){
        System.out.println("动物进食");
    }
}


interface Huntable{
    void hunt();
}


class Dog extends Animal implements Huntable{
    @Override
    public void eat() {
        System.out.println("狗吃骨头");
    }

    @Override
    public void hunt() {
        System.out.println("捕食耗子，多管闲事");
    }
}


class Cat extends Animal implements Huntable{

    public Cat(){
        super();//表现为：早期绑定
    }

    public Cat(String name){
        this();//表现为：早期绑定
    }

    @Override
    public void eat() {
        super.eat();//表现为：早期绑定
        System.out.println("猫吃鱼");
    }

    @Override
    public void hunt() {
        System.out.println("捕食耗子，天经地义");
    }
}


public class AnimalTest {
    public void showAnimal(Animal animal){
        animal.eat();//表现为：晚期绑定
    }
    public void showHunt(Huntable h){
        h.hunt();//表现为：晚期绑定
    }
}

2.13、虚方法与非虚方法

        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。

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。
class Father {
    public static void print(String str) {
        System.out.println("father " + str);
    }
    private void show(String str) {
        System.out.println("father " + str);
    }
}

class Son extends Father {
}

public class VirtualMethodTest {
    public static void main(String[] args) {
        Son.print("coder");
        //Father fa = new Father();
        //fa.show("atguigu.com");
    }
}

调用指令：

  • 普通调用指令
  1. invokestatic：调用静态方法，解析阶段确定唯一方法版本
  2. invokespecial：调用<init>方法、私有及父类方法，解析阶段确定唯一方法版本
  3. invokevirtual：调用所有虚方法
  4. invokeinterface：调用接口方法
  • 动态调用指令
  1. 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。

2.14、动态类型语言与静态类型语言的区别

        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。

        说的再直白一点就是，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。

2.15、方法重写的本质

  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. 如果在过程结束；如果不通类型 C 中找到与常量中的描述符合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，则返回 java.lang.IllegalAccessError 异常。
  3. 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。
  4. 如果始终没有找到合适的方法，则抛出 java.lang.AbstractMethodError异常。

2.16、方法的返回地址

        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。

        当一个方法开始执行后，只有两种方式可以退出这个方法：

1、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、freturn、dreturn以及areturn，另外还有一个return指令供声明为void的方法、实例初始化方法、类和接口的初始化方法使用。

2、在方法执行的过程中遇到了异常（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。

Exception table:
from to   target  type
4    16   19      any
19   21   19      any

        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。

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


原文地址：https://blog.csdn.net/qq_37165235/article/details/135637321

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