Java虚拟机栈和PC寄存器

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PC Register介绍

JVM中的程序计数寄存器（Program Counter Register)中，Register 的命名源于CPU的寄存器，寄存器存储指令相关的现场信息。CPU只有把数据装载到寄存器才能够运行
这里，并非是广义上所指的物理寄存器，或许将其翻译为PC计数器会更贴切

作用：

用来存储指向下一条指令的地址，也即将要执行的指令代码。由执行引擎读取下一条指令

它是一块很小的内存空间，几乎可以忽略不计，也是运行速度最快的存储区域

在JVM规范中，每个线程都有它自己的程序计数器，是线程私有的，生命周期与线程的生命周期保持一致

程序执行过程大概是执行引擎从PC寄存器中读到将要执行的下一条指令，然后操作局部变量表，操作数栈。。。。

为什么使用PC寄存器记录当前线程的执行地址呢？

因为CPU需要不停的切换各个线程，这时候切换回来以后，就得知道接着从那开始继续执行
JVM的字节码解释器就需要通过改变PC寄存器值来明确下一条应该执行什么样的字节码指令

Java虚拟机栈介绍

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。

是线程私有的

虚拟机栈的生命周期

生命周期和线程一致

作用

主管Java程序的运行，它保存方法的局部变量（8种基本类型、对象的引用地址），部分结果，并参与方法的调用和返回。

优点

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

对于栈来说不存在垃圾回收问题

开发中遇到的异常有哪些

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 (例如递归调用没有出口)
- 如果Java虚拟机栈可以动态扩展,并且再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
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调用的最大可达深度.

分配的栈内存越大越好么?

栈空间变大了,可分配的线程数就会变少,可能会出现OOM

栈的存储单位 --栈帧

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
在这个线程上正在执行的每个方法都各自对应一个栈帧
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

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"后进先出"原则
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

栈帧的内部结构

每个栈帧中存储着:

局部变量表(Local Variables)
操作数栈(Operand Stack)
动态链接(Dynamic Linking)
方法返回地址(Return Address)
一些附加信息

局部变量表

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 ,这些数据类型包括各类基本数据类型/对象引用,以及returnAddress类型
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的大小的.
由于局部变量表是建立在线程的栈上,是线程的私有数据, 因此不存在数据的安全问题
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

静态方法的局部变量表:

起始PC代表变量在字节码文件中的起始位置
长度代表变量的作用范围

普通方法的局部变量表:

方法中定义的局部变量是否线程安全?

局部变量如果是内部产生,内部消亡的,都是线程安全的.例如:

//线程安全

public static String method1(){

    StringBuilder s1 = new StringBuilder();

    s1.append("a");

    s2.append("b");

}

如果从外部传入,或者变量return出去了则不安全.

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.
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.

动态链接（指向运行时常量池的方法引用）

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述方法的引用。

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。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保存在class文件的常量池里。

比如：描述一个方法调用了林外的其他方法时，就是通过常量池中指向方法的符号引用来表示的，动态连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

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

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在进JVM内部时,如果被调用的 目标方法在编译器可知 ,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被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

相对应的有前期绑定和后期绑定

前期绑定

若程序在执行前进行绑定，由编译器和链接程序实现，叫做 前期绑定
后期绑定

在运行时根据对象的类型进行绑定，叫做 后期绑定 ，也叫 动态绑定 或 运行时绑定 。

某类语言具备多态特性,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,他们相当于C++中的虚函数.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

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

动态类型语言和静态类型语言

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.

- 静态

	Java: String info = "longda";

- 动态

	JS: var name = "longda";

	python: name = "longda"

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,栈帧中一般不会保存这部分信息