1、简介

1.1 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。是线程私有的

1.2 生命周期

生命周期和线程一致。

1.3 作用

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。

• 局部变量、成员变量（或属性）
• 基本数据类型、引用数据类型（类、数组、接口）

1.4 内存中的栈和堆

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。

1.5 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
• 存在OOM（内存溢出异常）

1.6 面试题：开发中常见的异常

• 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中请到足够的内存，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

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CurrentMethod，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。

下图为线程中方法调用时对应的栈区域内存情况描述

• 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。

3、栈的结构

3.1 栈的存储单位-栈帧

• 每个线程都有自己的栈，栈中的数据都是以栈帧的格式存在
• 在这个线程上正在实行的每一个方法都各自对应一个栈帧
• 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。

补充：

栈顶缓存 top-of-stack

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。

3.2 栈帧的结构

局部变量表（Local variables）

• 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，以及返回地址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（没有多个线程来操作这个数据，也就避免了数据安全问题）

• 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，它的参数和同部变量越多，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。

• slot (槽)

  

• 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

• 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。

补充：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。

在静态方法中不能调用this对象，因为在静态方法运行的时候this局部变量没有定义，这里又引出变量的分类：

按照数据类型分类：

• 基本数据类型
• 引用数据类型

按照类中声明的位置分：

成员变量：使用前都经历过默认初始化赋值

• 类变量（也叫静态变量）：使用static修饰的变量。在linking的prepare阶段：给类变量默认赋值 -->initial阶段显式复制，也就是静态代码块赋值
• 实例变量：未使用static修饰的变量。随着对象的创建会在堆分配变量空间，并进行默认赋值

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

操作数栈（operand stack)(或表达式栈)

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。

• 在方法执行中，根据字节码指令，在栈中写入数据或提取数据，即入栈（push）/出栈（pop）
• 方法开始执行的时候，会创建一个对应的新栈帧，对应的操作数栈是空的
• 实际物理结构是由数组构成的，而数组在创建的时候，长度是固定的，在编译期就会确定。为max_stack。但是不能通过索引来进行访问，需要使用push和pop操作
• 补充：java虚拟机的解释引擎是基于栈的执行引擎，这个栈就是操作数栈

动态链接(Dynamic Linking)(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。

涉及操作数栈的字节码指令执行

动态链接

方法返回地址（return address）

存放调用该方法（调用者）的pc寄存器的值，即当前方法完成后需要执行的下一步地址。

方法的结束，有两种：

• 正常执行完成
• 出现未处理的异常，非正常退出

无论哪一种方式退出，在方法退出后都会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，即调用该方法的下一条指令的地址。而通过异常退出的，返回地址要通过异常表来确定，栈帧中一般不会保存这部分信息。

这两者退出的主要区别是，通过异常退出的方法的不会返回给调用者产生任何的返回值。

关于返回字节码指令链接

一些附加信息

栈帧中允许携带的一些java虚拟机实现相关的一些附加信息。例如对程序调试提供支持的信息