探究Java虛擬機棧—Java進階

前言

Java 虛擬機的內存模型分為兩部分：一部分是線程共享的，包括 Java 堆和方法區；另一部分是線程私有的，包括虛擬機棧和本地方法棧，以及程序計數器這一小部分內存。今天我就 Java 虛擬機棧做一些比較淺的探究。

熟悉 Java 的同學應該都知道了，JVM 是基于棧的。但是這個“棧” 具體指的是什么？難道就是虛擬機棧？想要回答這個問題我們先要從虛擬機棧的結構談起。

虛擬機棧

何為虛擬機棧

虛擬機棧的棧元素是棧幀，當有一個方法被調用時，代表這個方法的棧幀入棧；當這個方法返回時，其棧幀出棧。因此，虛擬機棧中棧幀的入棧順序就是方法調用順序。什么是棧幀呢？棧幀可以理解為一個方法的運行空間。它主要由兩部分構成，一部分是局部變量表，方法中定義的局部變量以及方法的參數就存放在這張表中；另一部分是操作數棧，用來存放操作數。我們知道，Java 程序編譯之后就變成了一條條字節碼指令，其形式類似匯編，但和匯編有不同之處：匯編指令的操作數存放在數據段和寄存器中，可通過存儲器或寄存器尋址找到需要的操作數；而 Java 字節碼指令的操作數存放在操作數棧中，當執行某條帶 n 個操作數的指令時，就從棧頂取 n 個操作數，然后把指令的計算結果（如果有的話）入棧。因此，當我們說 JVM 執行引擎是基于棧的時候，其中的“棧”指的就是操作數棧。舉個簡單的例子對比下匯編指令和 Java 字節碼指令的執行過程，比如計算 1 + 2，在匯編指令是這樣的：

mov ax,1;把1放入寄存器 axadd ax,2;用 ax 的內容和2相加后存入 ax

而 JVM 的字節碼指令是這樣的：

iconst_1 //把整數 1 壓入操作數棧iconst_2 //把整數 2 壓入操作數棧iadd //棧頂的兩個數相加后出棧，結果入棧

由于操作數棧是內存空間，所以字節碼指令不必擔心不同機器上寄存器以及機器指令的差別，從而做到了平臺無關。

注意，局部變量表中的變量不可直接使用，如需使用必須通過相關指令將其加載操作數棧中作為操作數使用。比如有一個方法 void foo()，其中的代碼為：int a = 1 + 2; int b = a + 3;，編譯為字節碼指令就是這樣的：

iconst_1 //把整數 1 壓入操作數棧iconst_2 //把整數 2 壓入操作數棧iadd //棧頂的兩個數出棧后相加，結果入棧；實際上前三步會被編譯器優化為：iconst_3istore_1 //把棧頂的內容放入局部變量表中索引為 1 的 slot 中，也就是 a 對應的空間中iload_1 // 把局部變量表索引為 1 的 slot 中存放的變量值（3）加載操作數棧iconst_3 iadd //棧頂的兩個數出棧后相加，結果入棧istore_2 // 把棧頂的內容放入局部變量表中索引為 2 的 slot 中，也就是 b 對應的空間中return// 方法返回指令，回到調用點

需要說明的是，局部變量表以及操作數棧的容量的較大值在編譯時就已經確定了，運行時不會改變。并且局部變量表的空間是可以復用的，例如，當指令的位置超出了局部變量表中某個變量 a 的作用域時，如果有新的局部變量 b 要被定義，b 就會覆蓋 a 在局部變量表的空間。

盜用別人的圖以讓大家對虛擬機棧有個直觀的認識（其中小字體 Stack 指的的是虛擬機棧，Frame 是棧幀，Local variables 是局部變量表，Operand Stack 是操作數棧）：

由虛擬機棧引出的問題

看完上面的代碼大家可能會有幾點疑惑：什么是 slot？那些指令是什么意思？為什么 a 對應的 slot 的索引值不是從零開始的，它明明是靠前個定義的變量啊？

對于這些問題我們一個個來解決。

什么是 slot

首先什么是 slot？slot 是局部變量表中的空間單位，虛擬機規范中有規定，對于 32 位之內的數據，用一個 slot 來存放，如 int，short，float 等；對于 64 位的數據用連續的兩個 slot 來存放，如 long，double 等。引用類型的變量 JVM 并沒有規定其長度，它可能是 32 位，也有可能是 64 位的，所以既有可能占一個 slot，也有可能占兩個 slot。

JVM 字節碼指令

第二個問題，那些指令是什么意思？

指令格式

首先我們要理解 Java 指令的格式，Java 的指令以字節為單位，也就是一個字節代表一條指令。比如 iconst_1 就是一條指令，它占一個字節，那么自然 Java 指令不會超過 256 條。實際上 Java 指令目前定義了 200 多條。指令雖然是一個字節，但是它也可以帶自己的操作數。JVM 中有這樣一條指令 putstatic，其作用是給特定的的靜態字段賦值。但是給哪個字段賦值呢？僅僅通過這條指令并不能說明，那么只有通過操作數來指定了。緊跟在 putstatic 后面的兩個字節就是它的操作數，這個操作數是一個索引值，指向運行時常量池中該靜態字段對應的符號引用。由于符號引用包含了該字段的基本信息，如所屬類、簡單名稱以及描述符，因此 putstatic 指令就知道是給哪個類的哪個字段賦值了。

指令的操作數分兩種：一種是嵌入在指令中的，通常是指令字節后面的若干個字節；另一種是存放在操作數棧中的。為了區別，我們把前者叫做嵌入式操作數，把后者叫做棧內操作數。這兩者的區別是：嵌入式操作數是在編譯時就已經確定的，運行時不會改變，它和指令一樣存放于類文件方法表的 Code 屬性中；而操作數是運行時確定的，即程序在執行過程中動態生成的。拿 putstatic 指令來說，它有一個嵌入式操作數，該操作數是一個索引值（前面已經提到），它由兩個字節組成，緊跟在 putstatic 對應的字節之后；同時它還有一個棧內操作數，位于操作數棧的棧頂，這個操作數就是要賦給靜態字段的值，其對應的字節數根據靜態字段的類型決定。如果靜態字段的類型是 short、int、boolean、char 或者 byte，那么這個操作數就必須是 int 類型，即由棧頂的 4 個字節組成；如果是 float、double 或者 long 類型，那么操作數就是相應的類型，即由棧頂的 4 個、8 個 或者 8 個 字節組成；如果靜態字段是引用類型，那么這個操作數的類型也必須是引用類型，即由棧頂的 8 個字節組成。

再舉一個例子。iconst_<i> 代表了一個指令族，它的意思是把整數 i 放入操作數棧中，i 的范圍是(m1, 0, 1, 2, 3, 4, 5)，其中 m1 代表的是 -1。注意，這里的 i 并不是指令的操作數（即非嵌入式操作數，也非棧內操作數），如 iconst_1、iconst_2 和 iconst3 都是由一個字節組成的字節碼指令。我們可以把 i 可以看作是指令的 “隱含操作數”，即指令本身就蘊含了操作數。如果整數 i 超過 [-1, 5] 這個范圍，就不能用 iconst<i> 表示了，因為僅一個字節的字節碼指令不可能蘊含所有的整數。此時就需要 bipush 這條指令了，這條指令有一個嵌入式操作數，由一個字節組成，用來表示要放入棧頂的那個整數，該整數放入棧頂時通過擴展符號位變為 32 位的整型。但是一個字節也表示不了所有的整數，如果整數值超過一個字節所能表示的范圍，就只能通過 ldc 這條指令了，這條指令帶有一個字節的嵌入式操作數，它代表的是一個指向運行時常量池中 Constant_Integer_info 類型常量的索引，通過索引的方式引用運行時常量池中的整數，再大的整數也不怕了。