Java Runtime Data Area & 函数调用栈 JVM Stack & 栈帧 Stack Frame

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运行时数据区 Runtime Data Area

JVM 执行 Java 程序时需要装载各种数据，比如类型信息（Class）、类型实例（Instance）、常量数据（Constant）、本地变量等。
不同的数据存放在不同的内存区中，这些数据内存区称作运行时数据区（Runtime Data Area）。

运行时数据区有这样几个重要区：

JVM Stack（简称 Stack 或者虚拟机栈、线程栈、栈等）
Frame（又称StackFrame/栈帧、方法栈等）
Heap（堆/GC堆，即垃圾收集的对象所在区）。

单个线程内共享的区：

PC Register 寄存器
JVM Stack 虚拟机栈
Native Method Stack 本地方法栈

所有线程共享的区：

Heap 堆
Method Area 方法区，其中包含 Runtime Constant Pool 常量池

运行时数据区 Runtime Data Area

函数调用栈 JVM Stack

结构：
{JVM Stack [Frame][Frame][Frame]... }

Java 的函数调用栈就是 Java 虚拟机栈，它是线程私有的，与线程一同被创建，用于存储栈帧 Stack Frame，如下图所示。

线程栈（VM Statck/Stack）包含的栈帧（Frame）

Throwable 的 getStackTrace() 可以返回当前线程的虚拟机栈信息，返回数组的第一个元素是栈顶元素，最后一个元素是栈底元素。

示例代码如下：

public class StackTrace_Test {
    public void function1() {
        function2();
    }

    public void function2() {
        function3();
    }

    public void function3() {
        Throwable ex = new Throwable();

        StackTraceElement[] stackElements = ex.getStackTrace();

        System.out.println("Stack Length: " + stackElements.length);

        for (StackTraceElement stackTraceElement : stackElements) {
            System.out.println("Method Name: "
                    + stackTraceElement.getMethodName() + " Line Number: "
                    + stackTraceElement.getLineNumber());
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        StackTrace_Test t = new StackTrace_Test();
        t.function1();
    }
}

输出如下：

Stack Length: 4
Method Name: function3 Line Number: 11
Method Name: function2 Line Number: 7
Method Name: function1 Line Number: 3
Method Name: main Line Number: 26

栈帧 Stack Frame

结构：
{Frame [ReturnValue] [LocalVariables[ ][ ][ ][ ]...] [OperandStack [ ][ ][ ]...] [ConstPoolRef] }

每次方法调用均会创建一个对应的 Frame，方法执行完毕或者异常终止，Frame 被销毁。
一个方法 A 调用另一个方法 B 时，A 的 Frame 停止，新的 Frame 被创建赋予 B，执行完毕后，把计算结果传递给 A，A 继续执行。

局部变量表 LocalVariables

局部变量表的大小在编译期就被确定，这些值并放在class文件中。

局部变量区被组织成一个以字长为单位、从 0 开始计数的数组。

字节码指令通过以 0 开始的索引来使用其中的数据。

类型为 int、float、refence（引用）和returnAdress（方法出口）的值在数组内只占据一项
类型为 byte、short、char 的值在存入数组时都先转换为 int 值，因此同样只占据一项
类型为 long 和 double 的值在数组中却占据了连续两项。

局部变量区包含了对应的方法参数和局部变量！！！

Java代码 int a=0; int b=1; int c=2; 对应的局部变量表如下：

LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
2 12 0 a I
4 10 1 b I
6 8 2 c I

其中：

Start 变量偏移量。
Length 作用域范围长度。[ Start, Start + Length )就是该变量的作用域。
Slot 一个Slot能存储 32bit 的数据类型、引用、返回地址，long / dobule需要两个Slot。

操作数栈 OperandStack

操作数栈 OperandStack 的大小在编译期就被确定，这些值并放在class文件中。

Frame 被创建时，操作栈是空的。操作栈的每个项可以存放 JVM 的各种类型数据，包括 long / double。
操作栈有个栈深，long / double贡献两个栈深。
操作栈调用其它有返回结果的方法时，会把结果 push 到栈上。

当虚拟机调用一个方法时，它从对应的类的类型信息得到局部变量表 LocalVariables 和操作数栈 OperandStack 的大小，并据此分配栈帧内存，并压入 JVM Stack 中。

引用：
JVM中的Stack和Frame