栈帧

栈帧(Stack Frame)是用于支持虚拟机进行方法调用方法执行数据结构。它是虚拟机运行时数据区中的虚拟机栈的栈元素

每一个方法从调用开始至执行完成的过程,都对应着一个栈帧在虚拟机里面从入栈到出栈的过程。

对于执行引擎来说,在活动线程中(每一个线程都会分配一个栈空间),只有位于栈顶的栈帧才是有效的,称为当前栈帧,与这个栈帧相关联的方法称为当前方法。

执行引擎所运行的所有字节码指令都只针对当前栈帧进行操作。

栈帧存储了 1. 方法的局部变量表、2. 操作数栈、3. 动态连接、 4.方法返回地址等信息。

栈帧概念图.jpg

在编译程序代码的时候,栈帧中需要多大的局部变量表多深的操作数栈已经完全确定了。 因此一个栈帧需要分配多少内存不会受到程序运行期变量数据的影响,而仅仅取决于具体的虚拟机实现

1.局部变量表

局部变量表是存储一组变量存储的空间,用于存放方法参数方法内部定义的局部变量以及在方法体中使用try/catch语句时,catch()括号里的参数也存在局部变量表中。

局部变量表本质是一个字长为单位的数组,局部变量表的容量以变量槽(Variable Slot)为最小单位,变量槽具体大小并没有规定(可能是32位,可能是64位)

下标0(第0位的索引的slot)存放的是一个当前调用方法对象实例的引用,在方法中通过this访问,虚拟机都能从引用中直接或者间接的查找到对象如下:

    1.Java堆中的数据存放的起始地址索引。

    2.所属数据类型在方法区中的存储的类型数据。

变量槽可以重用的,在方法体中,当PC计数器的指令指已经超出了某个变量的作用域(执行完毕),那这个变量对应的Slot可以交给其他变量使用。 变量槽重用的目的是为了节省栈空间,但是会影响系统的垃圾收集行为。(如大方法占用较多的Slot,执行完该方法的作用域后没有对Slot赋值或者清空设置null值,垃圾回收器便不能及时的回收该内存。)

虚拟机使用局部变量表完成参数值到参数列表的传递Java在编译为Class文件时,就已经确定了该方法所需要分配的局部变量表的最大容量

2.操作数栈

与局部变量表类似,操作数栈本质也是一个以字长为单位的数组,但是与局部变量表不同的时,操作数栈并不是通过索引的方式来访问数据的,而是通过入栈(压栈)——出栈(弹栈)来访问数据的。比如某个指令将一个值压入到操作数栈中,另一个指令就能弹出这个值来使用

比如计算程序100+200时操作数栈工作流程如下:

 -第一步:100这个数据入栈。

 -第二步:200这个数据入栈。

 -第三步:200出栈。

 -第四步:100出栈。

 -第五步:计算100+200,得到结果300,并将300这个数据入栈。

操作数栈与局部变量表一般都是配合工作的,虚拟机在操作数栈中储存数据的方式与在局部变量表中是一样的,如int、long、float、double、reference和returnType的存储。但是byte、short、char类型在压入操作数栈前会被转换为int。

3.动态连接

每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用,持有这个引用是为了支付方法调用过程中的动态连接(Dynamic Linking)。

在类加载阶段中的解析阶段会将符号引用转为直接引用,这种转化也称为静态解析。另外的一部分将在每一次运行时期转化为直接引用,这部分称为动态连接。

动态链接出现的原因就是为了解决静态链接中提到的两个问题,一方面是空间浪费,另外一方面是更新困难。

4.方法返回地址

当一个方法开始执行完毕并退出时,需要返回方法被调用的位置,程序才能继续执行,方法返回需要在栈帧中保存调用该方法的pc寄存器的值,保存这部分信息的内存被称为方法返回地址。

方法的退出有2种方式 :

   1.方法返回指令 :执行引擎遇到一个方法返回的字节码指令,这时候有可能会有返回值传递给上层的方法调用者,这种退出方式称为正常完成出口。

   2.异常退出 : 在方法执行过程中遇到了异常,并且没有处理这个异常,就会导致方法退出

当方法正常退出时,调用者的PC计数器的值可以作为返回地址,栈帧中会保存这个计数器值。当方法异常退出时,返回地址是要通过异常处理器表来确定的,栈帧中一般不会保存这部分信息

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