四、JVM之栈与栈帧

栈:

1、又名堆栈,它是一种运算受限的线性表。其限制是仅允许在表的一端进行插入和删除运算。这一端被称为栈顶,相对地,把 另一端称为栈底。其特性是先进后出。

2、栈是线程私有的,生命周期跟线程相同,当创建一个线程时,同时会创建一个栈,栈的大小和深度都是固定的。

3、方法参数列表中的变量,方法体中的基本数据类型的变量和引用数据类型的引用都存放在栈中,成员变量和对象本身不存放在栈中。运行时,成员函数的局部变量引用也存放在栈中。

4、栈的变量随着变量作用域的结束而释放,不需要jvm垃圾回收机制回收。

5、栈不是全局共享的,每个线程创建一个栈,该线程只能访问其对应的栈数据

6、栈内存的大小是在编译期就确定了的。

栈帧:

1、一个栈中可以有多个栈帧,栈帧随着方法的调用而创建,随着方法的结束而消亡。该栈帧中存储该方法中的变量,原则上各个栈帧之间的数据是不能共享的,但是在方法间调用时,jvm会将一方法的返回值赋值给调用它的栈帧中。每一个方法调用,就是一个压栈的过程,每个方法的结束就是一个弹栈的过程。压栈都将会将该栈帧置于栈顶,每个栈不会同时操作多个栈帧,只会操作栈顶,当栈顶操作结束时,会将该栈帧弹出,同时会释放该栈帧内存,其下一个栈帧将变为栈顶。栈内存归属于单个线程,每个线程都会有一个栈内存,其存储的变量只能在其所属线程中可见,即栈内存可以理解成线程的私有内存。

2、栈中的优化,其一是当局部变量赋值时,会在栈空间中找其对应的值,当有该值时,将该值指向变量,当没有该值时,创建一个该值,然后再指向该变量,例如:int a = 1, int b = 1, b = 2; 其二是栈中的变量随着方法的调用而创建,当方法执行结束后,jvm会自动释放内存。

栈帧的组成部分:

1、局部变量表:是一组变量值的存储空间,用呀存放方法参数和局部变量,虚拟机通过索引定位的方式使用局部变量表。

2、操作数栈:常称为操作数栈,是一个后入先出栈。方法执行中进行算术运算或者是调用其他的方法进行参数传递的时候是通过操作数栈进行的。在概念模型中,两个栈帧是相互独立的。但是大多数虚拟机的实现都会进行优化,令两个栈帧出现一部分重叠。令下面的部分操作数栈与上面的局部变量表重叠在一块,这样在方法调用的时候可以共用一部分数据,无需进行额外的参数复制传递。

3、动态连接:在说明什么是动态连接之前先看看方法的大概调用过程,首先在虚拟机运行的时候,运行时常量池会保存大量的符号引用,这些符号引用可以看成是每个方法的间接引用,如果代表栈帧A的方法想调用代表栈帧B的方法,那么这个虚拟机的方法调用指令就会以B方法的符号引用作为参数,但是因为符号引用并不是直接指向代表B方法的内存位置,所以在调用之前还必须要将符号引用转换为直接引用,然后通过直接引用才可以访问到真正的方法,这时候就有一点需要注意, 如果符号引用是在类加载阶段或者第一次使用的时候转化为直接应用 ,那么这种转换成为 静态解析 ,如果是在 运行期 间转换为直接引用,那么这种转换就成为 动态连接

4、方法返回地址:方法的返回分为两种情况,一种是正常退出,退出后会根据方法的定义来决定是否要传返回值给上层的调用者,一种是异常导致的方法结束,这种情况是不会传返回值给上层的调用方法.不过无论是那种方式的方法结束,在退出当前方法时都会跳转到当前方法被调用的位置,如果方法是正常退出的,则调用者的PC计数器的值就可以作为返回地址,如果是因为异常退出的,则是需要通过异常处理表来确定.在方法的的一次调用就对应着栈帧在虚拟机栈中的一次入栈出栈操作,因此方法退出时可能做的事情包括,恢复上层方法的局部变量表以及操作数栈,如果有返回值的话,就把返回值压入到调用者栈帧的操作数栈中,还会把PC计数器的值调整为方法调用入口的下一条指令。

栈的优点:

1、栈帧内存数据共享:栈帧之间数据不能共享,但是同一个栈帧内的数据是可以共享的,这样设计是为了减小内存消耗,例如:int a = 1, int b= 1时,前面定义了a=1,a和1都在栈内存内,如果再定义一个b=1,此时将b放入栈内存,然后查找栈内存中是否有1,如果有则b指向1。如果再给b赋值2,则在栈内存中查找是否有2,如果没有就在栈内存中放一个2,然后b指向2。也就是如果常量在栈内存中,就将变量指向该常量,如果没有就在该栈内存增加一个该常量,并将变量指向该常量。

2、存取速度比堆要快,仅次于寄存器。速度快之一是栈在编译器就申请好了内存空间,所以在运行时不需要申请内存大小,节约了时间,其二是栈是机器系统提供的数据结构,计算机会在底层对栈提供支持:分配专门的寄存器存放栈的地址,压栈出栈都有专门的指令执行,这就决定了栈的效率比较高。其三是访问时间,访问堆的一个具体单元,需要两次访问内存,第一次得取得指针,第二次才是真正得数据,而栈只需访问一次。

栈的缺点:

存在栈的数据大小和生存期必须是确定的,缺乏灵活性。当栈在运行执行程序时,发现栈内存不够,不会动态的去申请内存,以至于导致程序报错,所以灵活性较差。

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