JVM入门学习日记(day05)--Java内存区域--运行时数据区之虚拟机栈
第四节：运行时数据区之虚拟机栈
1、Java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。基于栈的优点是跨平台，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。
有不少Java开发人员一提到Java内存结构，就会非常粗粒度地将JVM中的内存区理解为仅有Java堆（heap）和Java栈（stack）？为什么【继承自C/C++程序的内存布局结构】？
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。[方法中的局部变量--基本数据类型，引用类型在栈里面放的是对象的引用]
堆解决的是数据存储的问题，即数据怎么放，放哪里[对象]
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。虚拟机栈是线程私有的，如下程序所示：
1.2、生命周期
生命周期和线程一致，也就是某线程结束了，则线程对应的该虚拟机栈也销毁了
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。[反编译后字节码文件中的指令就体现出了]
局部变量，它是相比于成员变量来说的（或属性）
基本数据类型变量 VS 引用类型变量（类、数组、接口）
1.4、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），先入后出
执行结束后的出栈工作
对于栈来说不存在GC垃圾回收问题（栈存在溢出OOM的情况）
1.5、开发中遇到哪些异常？
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。
StackoverflowError 异常演示：main方法里面自己调用自己
1.6、设置栈内存大小
我们可以使用参数 -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递归调用的最大可达深度，格式如下：
-Xss1m
-Xss1024k
public class StackErrorTest{ private static int count = 1; public static void main(String[] args) { System.out.println(count++);//默认11420，设置了-Xss256k栈的大小后变为2465 main(args); } } 复制代码默认情况下：count:11420
设置了内存大小后[run-Edit Configuration-选择当前程序-VM options]：count:2465，于是异常提前出现
2、栈的存储单位
2.1、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）**为基本单位进行存在。
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。
复习：OOP的基本概念：类和对象
类中基本结构：field（属性、字段、域）、method
2.2、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。入栈对应一个方法的调用，出栈代表一个方法的结束
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（其实是栈顶栈帧）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），如下图所示：
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。当然在使用这种递归函数的时候，如果使用不当就会不停的入栈，当栈调用深度大于JVM所允许的范围，这时栈的内存不够用了就会抛出StackOverflowError的错误
下面写一个简单的代码
public class StackFrameTest { public static void main(String[] args) { method01(); private static int method01() { System.out.println("方法1的开始"); int i = method02(); System.out.println("方法1的结束"); return i; } private static int method02() { System.out.println("方法2的开始"); int i = method03(); System.out.println("方法2的结束"); return i; } private static int method03() { System.out.println("方法3的开始"); int i = 30; System.out.println("方法3的结束"); return i; } } } 复制代码输出结果为：
方法1的开始 方法2的开始 方法3的开始 方法3的结束 方法2的结束 方法1的结束 复制代码
从打印结果来看，满足栈先进后出的概念，当方法3对应的栈帧执行完后出栈，程序计数器就改变数值从而执向下一条指令地址，指向方法2[此时方法2变成当前栈帧了]，改变通过Idea的 DEBUG，能够看到栈信息
补充：
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【栈线程私有】。
一个方法是一个栈帧，一个线程是一个栈
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。
如果有异常，在当前栈帧没有被处理，就丢给前一个栈帧进行处理
Java方法有两种返回函数[方法结束]的方式，一种是正常的函数返回，使用return指令(也可以不使用，默认会自动生成)；另外一种是抛出异常，没有进行try-catch处理。不管使用哪种方式，都会导致栈帧被弹出。
2.3、栈帧的内部结构
虚拟机栈描述的是Java 方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧 ，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
每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。并行每个线程下的栈都是私有的，因此每个线程都有自己各自的栈，并且每个栈里面都有很多栈帧，栈帧的大小主要由局部变量表和操作数栈决定的
3、局部变量表
3.1、概述
局部变量表：Local Variables，被称之为局部变量数组或本地变量表
它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，这些变量的数据类型包括各类基本数据类型 （boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型，它不同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置），以及returnAddress类型(指向了一条字节码指令的地址)。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
局部变量表所需的容量大小是在编译期确定下来的， 当进入一个方法时，这个方法需要在栈帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，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。 注意，这里说的“大小”是指变量槽的数量，虚拟机真正使用多大的内存空间 (譬如按照1个变量槽占用32个比特、64个比特，或者更多)来实现一个变量槽，这是完全由具体的虚拟机实现自行决定的事情。
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。
3.2、字节码中方法内部结构剖析-Jclasslib的使用
为了更好的理解局部变量表的结构，我们来分析一下字节码文件
1 使用Jclasslib分析字节码中的方法内部结构
安装jclasslib bytecode viewer。进入github.com/ingokegel/j…
2 编译下面的java代码，生成LocalVariablesTest.class文件。【分析的都是静态方法】
import java.util.Date; /** * @author lemon * @create 2022-01-01 19:38 * TO:一把青梅换了酒钱 */ public class LocalVariablesTest { private int count = 0; public static void main(String[] args) { LocalVariablesTest test = new LocalVariablesTest(); int num = 10; } //练习: public static void testStatic(){ LocalVariablesTest test = new LocalVariablesTest(); Date date = new Date(); int count = 10; System.out.println(count); //因为this变量是不存在于当前这个静态方法的局部变量表中! ! //System.out.println(this.count); } } 复制代码3 使用安装好的jclasslib 插件打开LocalVariablesTest.class【view-show Bytecode with 】。
4 字节码方法内部结构分析
4.1：如下图所示，找到Methods并且展开，里面包含了java文件中定义的所有的方法。<init>对应着构造方法。选中main方法。
Name：方法名
Description：描述了方法的参数类型以及返回值类型。比如
<([Ljava/lang/String;)V>，说明参数类型是Ljava/lang/String；[L表示引用类型变量]，返回值类型是V，表示的是void类型。Access flags： 访问标识，public static。
4.2：进一步展开main方法。选中Code。
a) Bytecode:字节码指令。java方法对应的字节码指令。
b) Exception table:方法抛出的异常。由于main方法没有抛出异常，所以什么都没有。
c) Misc里面包含了一些描述信息。
Maximum local variables：局部变量表最大的长度。当前例子为3。【3个局部变量：main方法有2个变量加1个形参】Code length：code的length。指的是该main方法中的代码翻译成Bytecode字节码指令中的行数。例子中是0-11，所以是12行。
4.3：进一步选中LineNumberTable：行号表。表示的是字节码的指令行号与java文件中的代码的行号的对应关系。
例如图中的Start PC列8和Line Number列的12对应。表示的是字节码指令的第8行对应的是java代码的第12行。
4.4：进一步选中LocalVariablesTable：局部变量表。
Start PC：字节码指令行号，表示的是变量声明的起始位置。
Length：变量作用域范围。从起始位置开始，变量可用的行长度。例如图中的Start PC列8和Length列的4，表示的是test变量从字节码指令的第8行开始声明，可用的行长度为4，也就是8-11这4行可以使用。(切换Jclasslib的视图到code->Bytecode便于理解）。
Index：索引。jvm通过索引使用局部变量。
Name：局部变量的名称。
Descriptor：描述局部变量的类型。I表示的是int，L表示引用类型
其实我们会发现每个变量的作用域范围加起来就是该方法的字节码代码长度，如下，所以作用域范围就是在该方法内，说明该变量执行到了该方法的代码最后。
3.2、关于Slot的理解
这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽 (Slot) 来表示
参数值的存放总是在局部变量表/数组的index0开始，到数组长度-1的索引结束【Maximum local variables：局部变量表最大的长度】。如上index所示。
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（1ong和double）占用两个slot。
byte、short、char 、float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。引用类型也是占一个slot
1ong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--起始索引即可。（比如：访问1ong或doub1e类型变量）
如果当前帧是由构造方法或者实例方法[非静态方法] 创建的，那么该对象引用this将会存放在当前局部变量表index为0的s1ot处，其余的参数按照参数表顺序继续排列。【静态方法中之所以不能有this：就是因为this变量不存在于当前静态方法的局部变量表中】
//练习: public static void testStatic(){ LocalVariablesTest test = new LocalVariablesTest(); Date date = new Date(); int count = 10; System.out.println(count); //一般this可以省略，但是在这里加上this是出错的，因为this变量是不存在于当前这个静态方法的局部变量表中! ! //System.out.println(this.count); } 复制代码可以很好的在下面程序中看出局部变量个数【局部变量表长度】、类型、占的索引位置，在这个静态方法的局部变量名也可以看出来，是不包括this变量的
3.3、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，如果一个局部变量出了其作用域，那么在其作用域之后声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，从而达到节省栈帧空间的目的。
以该方法为例：
请问：局部变量个数是多少，局部变量表长度是多少？有人说因为有this、a、b、c4个局部变量，所以应该是4，但是反编译后Maximum local variables显示为3
细节：索引为0处是this，正确，1是a，正确，并且相加都是13，说明a和this是执行到了该方法的代码最后，但是b是4+4=8，说明执行到了第8行，b就出了自己的作用域，挂掉了，但是整个数组的大小，位置已经开辟了，因此后面声明的变量c就复用过期销毁的局部变量b的槽位，所以Index还是2
注意：但是slot的重复利用有一些副作用：即在某些情况下可能会直接影响到系统的垃圾收集行为。
3.4、静态变量与局部变量的对比
变量的分类：
public void test(){ int i; System.out.println(i);//错误，未显示初始化 } 复制代码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。
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【可达性分析】，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。
4、操作数栈(Operand Stack)
4.1、概念
栈： 可以使用数组或链表来实现，操作数栈就是基于数组实现的
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，在方法执行过程中，根据字节码指令，通过执行引擎翻译成机器指令往栈中写入数据或提取数据，即入栈（push）和 出栈（pop）
某些字节码指令将局部变量值压入操作数栈，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
代码举例
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，所以这个方法的操作数栈初始时刻是空的。但是这个操作数栈是空的，并不意味着这个数组栈没有创建，这个时候数组是有长度的，因为数组一旦创建，那么就是不可变的
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。
4.2、代码追踪
我们给定代码
public void testAddOperation() { byte i = 15; int j = 8; int k = i + j; } 复制代码使用javap 命令反编译class文件： javap -v 类名.class
public void testAddoperation() ; Code : 0: bipush 15 2: istore_1 3: bipush 8 5: istore_2 6: iload_1 7: iload_2 8: iadd 9: istore_3 10: return 复制代码
从字节码指令可以看出，byte、short、char、boolean 内部都是使用int型来进行保存的【istore】，并且都是通过bipush对操作数 15 和 8进行入栈操作，同时使用的是iadd方法进行相加操作，i -> 代表的就是int，也就是int类型的加法操作
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。
执行完后，让PC + 1，指向下一行代码的指令地址，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【要从操作数栈中取出该元素—出栈】，这里的下一行地址就是2，我们可以看到局部变量表的已经增加了一个元素【0位置为this变量】
为什么局部变量表不是从0开始的呢？其实局部变量表也是从0开始的，但是因为这里是非静态方法，所以0号位置存储的是this指针，所以说就直接省略了~
然后PC+1，指向下一行，让操作数8也入栈，同时执行store操作，存入局部变量表中
然后从局部变量表中，依次将数据放在操作数栈中
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
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，这样最终局部变量表的长度就是3了，根原来分析的一样
4.3、面试题：i++和++i的区别
public class OperandStackTest { /** 程序员面试过程中， 常见的i++和++i 的区别 */ public static void add(){ //第1类问题： int i1 = 10; i1++; System.out.println(i1);//11 int i2 = 10; ++i2; System.out.println(i2);//11 //第2类问题： int i3 = 10; int i4 = i3++; System.out.println(i3);//11 System.out.println(i4);//10 int i5 = 10; int i6 = ++i5; System.out.println(i5);//11 System.out.println(i6);//11 //第3类问题： int i7 = 10; i7 = i7++; System.out.println(i7);//10 int i8 = 10; i8 = ++i8; System.out.println(i8);//11 //第4类问题： int i9 = 10; int i10 = i9++ + ++i9;//10+12 System.out.println(i9);//12 System.out.println(i10);//22 } public static void main(String[] args) { add(); } } 复制代码运行结果
11 11 11 10 11 11 10 11 12 22 复制代码
字节码指令
0 bipush 10 2 istore_0 3 iinc 0 by 1 6 getstatic #2 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;> 9 iload_0 10 invokevirtual #3 <java/io/PrintStream.println : (I)V> 13 bipush 10 15 istore_1 16 iinc 1 by 1 19 getstatic #2 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;> 22 iload_1 23 invokevirtual #3 <java/io/PrintStream.println : (I)V> 26 bipush 10 28 istore_2 29 iload_2 30 iinc 2 by 1 33 istore_3 34 getstatic #2 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;> 37 iload_2 38 invokevirtual #3 <java/io/PrintStream.println : (I)V> 41 getstatic #2 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;> 44 iload_3 45 invokevirtual #3 <java/io/PrintStream.println : (I)V> 48 bipush 10 50 istore 4 52 iinc 4 by 1 55 iload 4 57 istore 5 59 getstatic #2 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;> 62 iload 4 64 invokevirtual #3 <java/io/PrintStream.println : (I)V> 67 getstatic #2 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;> 70 iload 5 72 invokevirtual #3 <java/io/PrintStream.println : (I)V> 75 bipush 10 77 istore 6 79 iload 6 81 iinc 6 by 1 84 istore 6 86 getstatic #2 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;> 89 iload 6 91 invokevirtual #3 <java/io/PrintStream.println : (I)V> 94 bipush 10 96 istore 7 98 iinc 7 by 1 101 iload 7 103 istore 7 105 getstatic #2 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;> 108 iload 7 110 invokevirtual #3 <java/io/PrintStream.println : (I)V> 113 bipush 10 115 istore 8 117 iload 8 119 iinc 8 by 1 122 iinc 8 by 1 125 iload 8 127 iadd 128 istore 9 130 getstatic #2 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;> 133 iload 8 135 invokevirtual #3 <java/io/PrintStream.println : (I)V> 138 getstatic #2 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;> 141 iload 9 143 invokevirtual #3 <java/io/PrintStream.println : (I)V> 146 return 复制代码
4.4、栈帧之间的数据共享
另外，在概念模型中，两个栈帧作为不同方法的虚拟机栈的元素，是完全相互独立的。但是在大多数虚拟机的实现里都会做一些优化处理。令两个栈帧出现一部分重叠。让下面栈帧的部分操作数栈与上面栈帧的部分局部变量表重叠在一起，这样在进行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赋值传递：
5、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。
寄存器优点：指令更少，执行速度快
6、动态链接Dynamic Linking
动态链接、方法返回地址、附加信息 ： 有些地方被称为帧数据区
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）【方便程序访问常量池】。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。字节码中的方法调用指令就以常量池中指向方法的符号引用作为参数，这些符号引用一部分会在类加载阶段或第一次使用时转化为直接引用，这种转化成为静态解析。另一部分将在每一次运行期间转化为直接引用，这部分称为动态连接。
public class DynamicLinkingTest { int num = 10; public void methodA(){ System.out.println("methodA()...."); } public void methodB(){ System.out.println( "methodB()...."); methodA(); num++; } } 复制代码反编译后的methodB方法字节码指令：
0 getstatic #3 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;> 3 ldc #6 <methodB()....> 5 invokevirtual #5 <java/io/PrintStream.println : (Ljava/lang/String;)V> 8 aload_0 9 invokevirtual #7 <DynamicLinkingTest.methodA : ()V> 12 aload_0 13 dup 14 getfield #2 <DynamicLinkingTest.num : I> 17 iconst_1 18 iadd 19 putfield #2 <DynamicLinkingTest.num : I> 22 return 复制代码
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。比如：invokedynamic方法调用指令
为什么需要运行时常量池？
因为在不同的方法，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
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
7、方法调用：解析与分派
参考链接：blog.csdn.net/wwj17647590…
方法调用并不等同于方法中的代码被执行，方法调用阶段唯一的任务就是确定被调用方法的版本（即调用哪一个方法），暂时还未涉及方法内部的具体运行过程。
Class文件的编译过程中不包含传统编译中的链接步骤(比如C语言)，一切方法调用在Class文件里面存储的都只是符号引用(间接引用)，而不是方法在实际运行时内存布局中的入口地址（也就是之前说的直接引用）。
某些调用需要在类加载时期甚至运行期间才能确定目标方法的直接引用。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，即虚拟机是怎么知道在运行的时候具体调用哪个方法呢？看下面两种连接方式
7.1、链接
7.1.1、静态链接(解析)
类加载的哪个阶段可以进行方法调用呢(间接引用—>直接引用)？
所有方法调用的目标方法在Class文件里面都是一个常量池的符号引用。在类加载的解析阶段，我们会将其中的一部分符号引用转化为直接引用(另一部分需要到运行阶段才能确定)。
[注]：在解析阶段能够进行转化的前提条件：方法在程序真正运行之前就有一个可确定的调用版本，并且这个方法的调用版本在运行期是不可改变的。换句话说，调用目标在程序代码写好、编译器进行编译那一刻就已经确定下来。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解析
7.1.2、动态链接(动态分派)
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。
7.2、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
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(解析)**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。【多态性就是一个明显的体现】
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悄，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【不能被重写，因为编译期就确定了，不具备多态这种特点，属于早期绑定】。
7.3、虚方法和非虚方法
只要能被invokestatic和invokespecial指令调用的方法，都可以在解析阶段中确定唯一的调用版本。
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(尽管它使用invokevirtual指令调用)、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【虚方法】
具备类的继承关系
子类有方法的重写
7.4、JVM中支持的方法调用的字节码指令
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
invokespecial：调用实例构造器
<init>()方法 、私有及父类方法，解析阶段确定唯一方法版本invokevirtual：调用所有虚方法
invokeinterface：调用接口方法，会在运行时再确定一个实现该接口的对象。
动态调用指令：
invokedynamic：运行的时候动态解析出需要调用的方法，然后执行
前四条指令分派逻辑都固化在虚拟机内部，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，即都可以在解析阶段中确定唯一的调用版本。其余的（fina1修饰的除外）称为虚方法
7.6、方法静态解析：invokestatic指令
静态方法调用如下：
/** * 方法静态解析演示 */ public class StaticResolution { public static void sayHello() { System.out.println("hello world"); } public static void main(String[] args) { StaticResolution.sayHello(); } } 复制代码使用javap命令查看这段程序对应的字节码：
javap -verbose StaticResolution public static void main(java.lang.String[]); Code: Stack=0, Locals=1, Args_size=1 0: invokestatic #31; //Method sayHello:()V 3: return LineNumberTable: line 15: 0 line 16: 3 复制代码
分析：通过invokestatic命令来调用静态sayHello()方法，而且其调用的方法版本已经在编译时就明确以常量池项的形式固化在字节码指令的参数(操作数)之中。
7.7、动态解析-invokednamic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。
代码演示：
/** * 演示 invokedynamic 指令 */ @FunctionalInterface interface Func { public boolean func(String str); } public class Lambda { public void lambda(Func func) { } public static void main(String[] args) { Lambda lambda = new Lambda(); Func func = s -> { return true; }; lambda.lambda(func); lambda.lambda(s -> { return true; }); } } 复制代码图解：
Lambda表达式中，用Lambda表达式来实例化我们的对象，编译的时候根本不能确定造的具体是哪个对象，必须运行的时候才能知道
7.8、动态类型语言和静态类型语言
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。
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，比如【js/python】。
注意：Java10中已经引入了var这个概念，但java依然还是静态语言。
7.9、动态分派
7.9.1、动态分配和静态分派
解析调用一定是个静态的过程，在编译期间就完全确定，在类加载的解析阶段就会把涉及的符号引用全部转变为明确的直接引用，不必延迟到运行期再去完成。
而另一种主要的方法调用形式：分派。它可能是静态的也可能是动态的，按照分派依据的宗量数可分为单分派和多分派。这两类分派方式两两组合就构成了静态单分派、静态多分派、动态单分派、动态多分派4种分派组合情况。
Java具备面向对象的三个基本特征：继承、封装、多态。而我们将要分析的方法分派将会体现出一些多态性特征(“重载”、“重写”)。
静态分派
所有依赖静态类型来决定方法执行版本的分派动作，都称为静态分派。静态分派的最典型应用表现就是方法重载。因此虚拟机(准确的说是编译器)在重载时是通过参数的静态类型而不是实际类型作为判断依据的。静态分派发生在编译阶段，因此确定静态分派的动作实际上不是由虚拟机来执行的。
动态分派
在运行期根据实际类型确定方法执行版本的分派过程称为动态分派。动态分派的最典型应用表现就是方法重写(Override)。
7.9.2、方法动态分派演示(重写)
package org.fenixsoft.polymorphic; public class DynamicDispatch { static abstract class Human { protected abstract void sayHello(); } static class Man extends Human { @Override protected void sayHello() { System.out.println("man say hello"); } } static class Woman extends Human { @Override protected void sayHello() { System.out.println("woman say hello"); } } public static void main(String[] args) { Human man = new Man(); Human woman = new Woman(); man.sayHello(); woman.sayHello(); man = new Woman(); man.sayHello(); } } 复制代码运行结果：
man say hello woman say hello woman say hello 复制代码
结果分析： 导致这个现象的原因很明显，是因为这两个变量的实际类型不同，Java虚拟机是如何根据变量实际类型来分派方法执行版本的呢？我们使用javap命令输出main()方法的字节码：
public static void main(java.lang.String[]); Code: Stack=2, Locals=3, Args_size=1 0: new #16; //class org/fenixsoft/polymorphic/DynamicDispatch$Man 3: dup 4: invokespecial #18; //Method org/fenixsoft/polymorphic/Dynamic Dispatch$Man."<init>":()V 7: astore_1 ----------------------------------------------------------------------------------------------- 8: new #19; //class org/fenixsoft/polymorphic/DynamicDispatch$Woman 11: dup 12: invokespecial #21; //Method org/fenixsoft/polymorphic/DynamicDispatch$Woman."<init>":()V 15: astore_2 ----------------------------------------------------------------------------------------------- 16: aload_1 17: invokevirtual #22; //Method org/fenixsoft/polymorphic/Dynamic Dispatch$Human.sayHello:()V 20: aload_2 21: invokevirtual #22; //Method org/fenixsoft/polymorphic/Dynamic Dispatch$Human.sayHello:()V ----------------------------------------------------------------------------------------------- 24: new #19; //class org/fenixsoft/polymorphic/DynamicDispatch$Woman 27: dup 28: invokespecial #21; //Method org/fenixsoft/polymorphic/DynamicDispatch$Woman."<init>":()V 31: astore_1 ----------------------------------------------------------------------------------------------- 32: aload_1 33: invokevirtual #22; //Method org/fenixsoft/polymorphic/Dynamic Dispatch$Human.sayHello:()V 36: return 复制代码
字节码分析：
0~15行：建立man和woman的内存空间、调用Man和Woman类型的实例构造器，将这两个实例的引用存放在第1、2个局部变量表的变量槽中，对应于源码中的：
Human man = new Man(); Human woman = new Woman();
第16、20行：16和20行的aload指令分别把刚刚创建的两个对象的引用压到栈顶，这两个对象是将要执行的sayHello()方法的所有者，称为接收（Receiver）；
第17、21行：方法调用指令，这两条调用指令单从字节码角度来看，无论是指令（都是invokevirtual）还是参数（都是常量池中第22项的常量，注释显示了这个常量是Human.sayHello() 的符号引用）都完全一样，但是这两句指令最终执行的目标方法并不相同。因此要弄清楚它们的不同，还是要看invokevirtual指令。
7.9.3、Java语言中方法重写的本质：
invokevirtual指令的运行时解析过程大致分为以下几步：
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。
如果在类型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，查找过程结束；如果不通过，则返回java.1ang.I1legalAccessError 异常。
否则，按照继承关系从下往上依次对C的各个父类进行第2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.1ang.AbstractMethodsrror异常。
正是因为invokevirtual指令执行的第一步就是在运行期确定接收者的实际类型，所以两次调用中的invokevirtual指令并不是把常量池中方法的符号引用解析到直接引用上就结束了，还会根据方法接收者的实际类型来选择方法版本，这个过程就是Java语言中方法重写的本质。
【注】：既然这种多态性的根源在于虚方法调用指令invokevirtual的执行逻辑，那自然我们得出的结论就只会对方法有效，对字段是无效的，因为字段不使用这条指令。并且只有虚方法的存在，没有虚字段的存在。即，字段永远不参与多态[字段没有多态性]。当子类声明了与父类同名的字段时，虽然在子类的内存中两个字段都会存在，但是子类的字段会遮蔽父类的同名字段。
7.9.4、IllegalAccessError异常介绍
程序试图访问或修改一个属性或调用一个方法，这个属性或方法，你没有权限访问。一般的，这个会引起编译器异常。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。[实际：Maven中jar包的冲突]
8、方法的调用：虚方法表
在面向对象的编程中，会很频繁的使用到动态分派，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。
虚方法表是什么时候被创建的呢？ 答：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会把该类的方法表也初始化完毕。
如上图所示：如果子类中重写了父类中的方法，那么调用这个重写的方法的时候，就会直接在虚方法表中查找，就不会按照7.9.3中提到的基于继承关系从下往上依次对它的各个父类进行搜索和验证，就调用的是子类自己的，否则将会直接连接到Object的方法中，比如调用tostring方法。
9、方法返回地址
方法返回地址存放调用该方法的pc寄存器的值，而PC寄存器里面保存的是执行的下一条指令的地址值，因此将这个下一条指令的地址值赋给方法返回地址，就是交给执行引擎去继续后面指令的工作，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返回，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：执行引擎遇到任意一个方法返回/结束的字节码指令（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。另外还有一个return指令声明为void的方法，实例初始化方法，类和接口的初始化方法使用。
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
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。
10、一些附加信息
栈帧中还允许携带与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，与调试、性能收集相关的信息
11、栈的相关面试题
举例栈溢出的情况？（StackOverflowError）
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
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
方法中定义的局部变量是否线程安全？
具体问题具体分析
/** * 面试题 * 方法中定义局部变量是否线程安全？具体情况具体分析 * 何为线程安全？ * 如果只有一个线程才可以操作此数据，则必是线程安全的 * 如果有多个线程操作，则此数据是共享数据，如果不考虑共享机制，则为线程不安全 */ public class StringBuilderTest { // s1的声明方式是线程安全的 public static void method01() { // 线程内部创建的，属于局部变量 StringBuilder s1 = new StringBuilder(); s1.append("a"); s1.append("b"); } // 这个也是线程不安全的，因为有返回值，有可能被其它的程序所调用 public static StringBuilder method04() { StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder(); stringBuilder.append("a"); stringBuilder.append("b"); return stringBuilder; } // stringBuilder 是线程不安全的，操作的是共享数据 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); } // StringBuilder是线程安全的，但是String也可能线程不安全的 public static String method05() { StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder(); stringBuilder.append("a"); stringBuilder.append("b"); return stringBuilder.toString(); } } 复制代码总结一句话就是： 如果对象是在内部产生，并在内部消亡，没有返回到外部，那么它就是线程安全的，反之则是线程不安全的。
运行时数据区，是否存在Error和GC？
| 运行时数据区 | 是否存在Error | 是否存在GC |
|---|---|---|
| 程序计数器 | 否 | 否 |
| 虚拟机栈 | 是 | 否 |
| 本地方法栈 | 是 | 否 |
| 方法区 | 是（OOM） | 是 |
| 堆 | 是 | 是 |
作者：花粥之间
链接：https://juejin.cn/post/7062648857372393509