字节码的旅途

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运行时数据区

      JVM在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域有个字的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而一直存在，有的区域则是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。上图的运行时数据区就是本文的重点了。

程序计数器

      程序计数器是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。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。
      由于JVM的多线程是通过线程轮流切换、分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器都只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各个线程之间计数器互不影响。所以程序计数器是线程私有的。
      如果线程正在执行的是一个JAVA方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令地址；如果正在执行的是本地(Native)方法，这个计数器的值则应为空(Undefined)。
      此内存区域是唯一一个在《Java虚拟机规范》中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

两个问题

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?

      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，最好的办法就是为每一个线程都分配一个计数器，这样各个线程之间就可以独立计算，从而不会出现相互干扰的情况。

虚拟机栈

      同程序计数器一样，Java虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期和线程相同。
      虚拟机栈描述的是JAVA方法执行的线程内存模型：每个方法被执行的时候，Java虚拟机都会同步创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口灯信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

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，那么JAVA虚拟机将会抛出一个OutOfMemoryError异常。

  • 设置栈内存大小

    • 我们可以使用参数-Xss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。

栈帧

      JVM直接对JAVA虚拟机栈的操作只有两个，就是对栈帧的压栈和出栈。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，与当前栈帧想对应的方法就是当前方法，定义这个方法的类就是当前类。
      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顶，成为新的当前帧。

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  • 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方法由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。

栈的存储内容

  • 局部变量表(Local Variables)
  • 操作数栈(Operand Stack)
  • 动态链接(Dynamic Linking)(或指向运行时常量池的引用)
  • 方法返回地址(Return Address)
  • 一些附加信息

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局部变量表

      局部变量表也被称为局部变量数组或本地变量表，它定义为一个数组，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，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。当方法调用结束之后，随着方法栈帧的销毁局部变量表也会随之销毁。

Slot

      局部变量表存放了编译期可知的各种Java虚拟机基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用(reference类型，它并不等同与对象本身，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者其他与此对象相关的位置)和returnAddress类型(指向了一条字节码指令的地址)。
      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，其中64位长度的long和double类型的数据会占用两个变量槽，其余的数据类型只占用一个。
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Slot的重复利用

      栈帧中的局部变量表中的槽位是可以重复利用的，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 class SloatReuse {
    public void localVar1(){
        int a = 0;
        System.out.println(a);
        int b = 0;
    }
    /*
     LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      12     0  this   Ledu/xpu/jdk/java/test/SloatReuse;
            2      10     1     a   I
           11       1     2     b   I
     */

    public void localVar2(){
        {
            int a = 0;
            System.out.println(a);
        }
        //此时的b就会复用a的槽位
        int b = 0;
    }
    /*
     LocalVariableTable:
            Start  Length  Slot  Name   Signature
                2       7     1     a   I
                0      12     0  this   Ledu/xpu/jdk/java/test/SloatReuse;
               11       1     1     b   I
     可以发现a和b的索引是一样的，说明b复用了a的槽位
     */
}

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。类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。

public void test(){
    int i;
    System.out.println(i);//局部变量没有赋值，编译错误
}

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

      每一个独立的栈帧中除了包含局部变量表以外，还包含一个后进后出的操作数栈，也可以称之为表达式栈。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、出栈。
      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。
      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。

栈顶缓存技术

      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。

动态链接

      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。
      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，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。

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。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确定下来，也就是说，只能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。

      方法的绑定机制分为早期绑定和晚期绑定。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器可知。且运行期保持不变时，即可将这个方法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。

虚方法与非虚方法

      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

子类对象的多态性的使用前提是：①类的继承关系；②方法的重写

      虚拟机中提供了一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<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

  • 动态调用指令

    • invokedynamic：动态解析出需要调用的方法，然后执行

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。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的，栈帧中一般不会保存这部分信息。

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。

本地方法栈

      Java虚拟机栈用于管理Java方法的调用，而本地方法栈用于管理本地方法的调用。本地方法栈也是线程私有的，允许被实现成固定或者是可扩展的内存大小。
      当某个线程调用一个本地方法时，它就进入了一个全新的并且不再受虚拟机限制的世界，它和虚拟机拥有同样的权限。

  • 本地方法可以通过本地方法接口来访问虚拟机内部的运行时数据区
  • 本地方法可以直接使用本地处理器中的寄存器
  • 本地方法可以直接从本地内存的堆中分配任意数量的内存

      并不是所有的JVM都支持本地方法，因为Java虚拟机规范并没有明确要求本地方法栈的使用语言、具体实现方式、数据结构等。如果JVM产品不打算支持native方法，也可以无需实现本地方法栈。

在HotSpot JVM中，直接将本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

堆

      Java堆是虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，Java中"几乎"所有的对象实例都在这里分配内存。

在《Java虚拟机规范》中对堆的描述是："所有的对象实例以及数组 都应当在堆上分配"。注意在上面写的"几乎"是从具体实现角度来看的。由于即时编译技术的进步，尤其是逃逸分析技术的日渐强大，栈上分配、标量替换优化手段已经导致一些微妙的变化悄然发生，所以说Java对象实例都分配在堆上也渐渐变得不是那么绝对了。

JVM之堆

核心概述      一个JVM实例只存在一个堆内存，堆...

方法区

JVM之方法区

      方法区(Method Area)与Java...

直接内存

      直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是《Java虚拟机规范》中定义的内存区域。但是这部分内存也被频繁地使用，而且可能导致OutofMemoryError异常出现。
      在JDK1.4中新加入了NIO类，引入了一种基于通道(Channel)和缓冲区(Buffer)的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆里面的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java对和Native堆中来回复制数据。
      显然，本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但是，既然是内存，则肯定还是会受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制，一般服务器管理员配置虚拟机参数时，会根据实际内存去设置-Xmx等参数信息，但经常忽略掉直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制(包括物理的和操作系统级的限制)，从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

版权属于：带翅膀的猫

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Last modification：September 9th, 2020 at 11:14 am
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