Java虚拟机理解总结

四、虚拟机栈

2021-07-27  本文已影响0人  不减肥到一百三不改名字

一、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。
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开人人员一提到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?

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。
  • 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:1、每个方法执行,伴随着进栈(入栈、压栈)。2、执行结束后的出栈工作。
  • 对于栈来说不存在垃圾回收问题。

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,或者再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。

二、栈的存储单位

  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)的格式存在的。
  • 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,维系这方法执行过程中的各种数据信息。
  1. 栈的运行原理
  • 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,对应新的栈帧UI被创建出来,放在栈的顶端,成为新的当前栈。
  • 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命令;另外一种是抛出异常。不管使用那种方式,都会导致栈帧被弹出。
  1. 栈的内部结构
    每个栈帧中存储着:

三、局部变量表

一、局部变量表

二、关于slot的理解

三、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。

四、举例:静态变量和局部变量的对比

这样的代码是错误的,没有赋值不能使用。

四、补充说明

四、操作数栈

五、代码追踪

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六、栈顶缓存技术

七、动态连接

为什么需要常量池呢?
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。

八、方法的调用:解析与分派

一、方法的调用

  1. 在JVM中,将符号引用转挽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。
  1. 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。

随着高级语言的横空出世,类似于Java一样的基于而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性,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来显或定义)。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。

二、虚方法与非虚方法

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。

在类加载的解析阶段就可以进行解析,如下是非虚方法举例:

虚拟机中提供了以下几条方法调用指令:

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。

三、关于invokedynamic指令

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。

四、方法重写的本质

Java语言中方法重写的本质:
1、拼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.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。

IllegalAccessError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。

五、虚方法表

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 把该类的方法表也初始化完毕。





九、方法返回地址

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:通过屏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。

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

2、在方法执行的过程中遇到了异常(Exqeption) ,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。

十、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。

十一、栈的相关面试题

通过-Xss设置栈的大小: 00M

不能

不是

不会的

具体问题具体分析

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