【JVM系列】深入理解Java虚拟机（JVM）的核心技术 ：从程序计数器到栈帧结构(二、Java虚拟机栈探秘)

【JVM系列】深入理解Java虚拟机（JVM）的核心技术 ：从程序计数器到栈帧结构(二、Java虚拟机栈探秘)

JVM内存结构

程序计数器

1. 程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，可以看作是当前线程所执行字节码的行号指示器，指向下一个将要执行的指令代码，由执行引擎来读取下一条指令。更确切的说，一个线程的执行，是通过字节码解释器改变当前线程的计数器的值，来获取下一条需要执行的字节码指令，从而确保线程的正确执行。

2. 为了确保线程切换后（上下文切换）能恢复到正确的执行位置，每个线程都有一个独立的程序计数器，各个线程的计数器互不影响，独立存储。也就是说程序计数器是线程私有的内存。如果线程执行 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的地址；如果执行的是 Native 方法，计数器值为Undefined。

3. 程序计数器不会发生内存溢出（OutOfMemoryError即OOM）问题。

程序计数器作用：记录下一个 jvm 指令的执行地址

1. 基本概念

1.Java 虚拟机栈也是线程私有的，它的⽣命周期和线程相同，描述的是 Java⽅法执⾏的内存模型，每次⽅法调⽤的数据都是通过栈传递的。

2.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[1]（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息，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。

相关代码:

public static void main(String[] args) {a();
}public static void a() {b();
}public static void b() {c();
}public static void c() {
}

方法压栈与出栈:

栈会遵循先进后出原则 每个方法会创建一个栈帧，在栈帧中存放该方法对应的局部变量表

Idea 调试分析栈帧：

2. 栈帧内部结构原理分析

2.1 基本概念

在每一个方法对应的栈帧中都会有自己独立的：栈帧包含方法的所有信息

• 局部变量表：存放当前方法对应的局部变量；

• 操作数栈：或表达式栈；

• 动态链接：或指向运行时常量池的方法引用；

• 方法出口：或方法正常退出或者异常退出的定义；

2.2 局部变量表

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。

public class Test02 {public static void main(String[] args) {String str = "zhaoli";int j = 20;double d = 66.66;boolean b = true;}public int a() {int i = 10;int j = 20;int k = (i + j) * 2;return k;}public static int b() {int ii = 10;int jj = 20;int kk = (ii + jj) * 2;return kk;}
}

1. 先将这个.java文件编译成.class文件

2. 在cmd窗口 cd 到.class文件所在目录

3. 使用 javap -v Test02 命令得到汇编代码

main()对应的局部变量表

方法传递的参数也会在局部变量表中存储

a()对应的局部变量表

如果我们的方法是实例方法或者是构造方法(函数)，则jvm默认会在局部变量表中创建 一个当前对象变量名称为 this， 存入在我们当前方法对应的局部方法表中第0个位置 这样我们就可以在实例方法中使用 this，相当于默认添加了局部变量a(Test02 this);，静态方法不会

b()对应的局部变量表

2.3 Slot（变量槽–index）

局部变量表最基本的存储单元就是变量槽。

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(long和double)占用两个slot。

注意：short，byte，boolean等数据也占用一个变量槽，因为jvm会在存储时将上述变量转为int类型（变量槽是最基本存储单元，无法分割，只能整个使用）。

public static void main(String[] args) {String str = "zhaoli";int j = 20;double d = 66.66;boolean b = true;
}

JVM会为局部变量表中每一个变量分配变量槽，并记录其的存储位置，比如main函数方法传递了String [] args 数组，变量args就存储在index为0的变量槽中，变量d因为为64位，需要占用两个变量槽（3和4），变量b因为D占用了两个变量槽，所以直接从index5处开始存储。

2.4 jclasslib分析字节码

1. idea 安装使用

   • 打开idea 中的 settings > plugins 搜索 jclasslib 插件 进行安装 重启生效
   • 重启后点击view > 选择show bytecode with jclasslib

2. jclasslib git地址：https://github.com/ingokegel/jclasslib

不赋值（在代码块中赋值）的变量，在局部变量表中不显示，但局部变量表仍会为其预留位置。

public void test() {int a;int b;int c;
}

2.5 变量槽的复用

public static void test() {int a = 0;{int b=30;System.out.println("zhaoli");}int c = 0;
}

此处原因就是JVM对变量槽有一个复用性为，当变量b超出其作用域后不再生效，所以变量c直接占据了b的位置，所以局部变量表中会少一个位置。

2.6 局部变量表（的作用）总结

1. 局部变量表只对已确定一定有值的变量和方法参数进行记录，在程序执行中得以直接使用;
2. 存放当前方法入参和局部变量槽0开始计算 long 和double 占用2个槽位;
3. 如果我们的方法是为实例方法和构造函数，则在局部变量表中槽0的位置默认存放当前对象，变量名是为 this;
4. 如果代码块结束(作用域结束) ，jvm会对变量槽有一个复用的行为，以便于节省空间。

2.7 操作数栈分析

public int compute() {int a = 10;int b = 20;int c = (a + b) * 10;return c;
}

iconst_0：将int类型的0值压入操作数栈 …

iconst_5：将int类型的5值压入操作数栈

istore_1： 弹出操作数栈顶的值赋给局部变量表下标为1的变量

iload_1： 将局部变量表下标为1的位置存储的值压入操作数栈

iinc 1 by 1：取局部变量表下标为1的位置存储的值加上1

istore_1：弹出操作数栈顶的值赋给局部变量表下标为1的变量

底层汇编代码:

 0: bipush        10  ##  将一个8位带符号整数压入栈 102: istore_1       局部变 量表中槽1的位置存入10；3: bipush        20 ##  将一个8位带符号整数压入栈 205: istore_2       局部变量表中槽2的位置存入20；6: iload_1        从局部变量表中槽1的位置 获取 变量a=10；7: iload_2        从局部变量表中槽2的位置 获取 变量b=20；8: iadd           iadd 执行int类型的加法 10+20 9: bipush         10 ## 将一个8位带符号整数压入栈 10
11: imul           imul 执行int类型的乘法30*10
12: istore_3        局部变量表中槽3的位置存入300 c=300；
13: iload_3         最后返回局部变量表中槽3的位置
14: ireturn

2.8 ++i与i++的底层原理

i++是先赋值，然后再自增；++i是先自增，后赋值。

i++是直接在局部变量表加的，没有在操作数栈里运算

public static void c(){int i=0;int z=i++;System.out.println(z);
}public static void d(){int i=0;int z=++i;System.out.println(z);
}

## i++0: iconst_01: istore_02: iload_03: iinc          0, 16: istore_17: getstatic     #410: iload_1Start  Length  Slot  Name   Signature2      13     0     i   I7       8     1     z   I## ++i0: iconst_01: istore_02: iinc          0, 15: iload_06: istore_17: getstatic     #4      10: iload_111: invokevirtual #514: returnLineNumberTable:line 37: 0line 38: 2line 39: 7line 40: 14LocalVariableTable:Start  Length  Slot  Name   Signature2      13     0     i   I7       8     1     z   Ib

不同点就在 2: iload_0 3: iinc 0, 1和 2: iinc 0, 1 5: iload_0中

i++ 与++i底层区别

• i++ 先将局部变量表中的值压入(放入)到操作数栈中，在直接对局部变量中做+1操作。

• ++i 先将局部变量表中的值做+1的操作，在将局部变量表中加1之后的结果压入到操作数栈中。

2.9 栈溢出（StackOverflowError）

StackOverflowError代表的是，当栈深度超过虚拟机分配给线程的栈大小时就会出现此error。

public class StackOverFlow {private int i;public void plus() {i++;plus();}/*** 设置 -Xss128k* @param args*/public static void main(String[] args) {StackOverFlow stackOverFlow = new StackOverFlow();try {stackOverFlow.plus();} catch (Error e) {System.out.println("Error:stack length:" + stackOverFlow.i);e.printStackTrace();}}
}

在栈空间内存中是否会发生线程安全问题呢？

在讨论栈空间内存与线程安全问题时，我们需要理解栈空间的主要作用和线程安全的基本概念。

1. 栈空间：在程序运行时，栈空间主要用于存放函数调用时的局部变量、函数参数、返回地址等临时数据。当一个函数或方法执行完毕后，这些数据就会被自动清理出栈。

2. 线程安全：线程安全是指在一个多线程环境中，多个线程并发访问共享资源时，不会导致数据的不一致或其他错误状态。为了保证线程安全，通常需要使用同步机制（如互斥锁、信号量等）来控制对共享资源的访问。

在栈空间内存中本身是不容易发生线程安全问题的，因为每个线程都有自己独立的栈空间，不同线程之间不能直接访问对方栈中的数据。这意味着，如果某个变量是在栈上分配的，并且仅由创建它的线程所访问，那么它就不会有线程安全问题。

然而，在实际编程过程中，可能会有一些情况导致间接的线程安全问题，例如：

• 如果一个线程在其栈上定义了一个指向堆上共享资源的指针或引用，并且将这个指针或引用传递给了其他线程，那么这些线程就可能并发地修改该共享资源，从而引发线程安全问题。
• 如果栈上的数据结构（如数组）被用来引用或包含堆上的共享对象，并且这些对象没有适当的同步保护，则可能会出现线程安全问题。

总之，栈空间本身是线程隔离的，但如果涉及到共享数据（尤其是堆上的数据），则需要采取措施来确保线程安全。

2.10 动态链接

动态链接：每个栈帧都保存了一个可以指向当前方法所在类的运行时常量池；

目的是: 当前方法中如果需要调用其他方法的时候, 能够从运行时常量池中找到对应的符号引用, 然后将符号引用转换为直接引用，之后就能直接调用对应方法，这就是动态链接。

2.11 方法出口

方法出口定义了方法正常退出或者异常退出的方式。每种退出方式都会导致栈帧被销毁，同时伴随着可能的控制流转移、栈顶元素的弹出以及局部变量表的清空。

1. 正常退出：当方法执行完最后一条指令或者执行到诸如return之类的返回指令时，方法即正常退出。此时，方法返回值（如果是有的话）将被压入调用者栈帧的操作数栈中，然后控制权返回给上一层方法。

2. 异常退出：如果方法执行过程中出现了异常，并且这个异常没有在方法内部被捕获处理，那么方法就会异常退出。此时，虚拟机会寻找一个合适的异常处理器来处理这个异常。如果找不到合适的处理器，那么这个异常最终会上抛给更高层次的调用者，直到被处理或者导致程序终止。

无论哪种退出方式，一旦方法退出，其对应的栈帧就会从虚拟机栈中弹出，为新的方法调用腾出空间。这是由于栈的特性决定的——先进后出（LIFO），即最后进入的方法最先退出。这样的机制保证了方法调用的正确性和内存使用的高效性。