栈帧(Stack Frame)是用于支持虚拟机进行方法调用和方法执行的数据结构。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。
在编译程序代码的时候,栈帧中需要多大的局部变量表,多深的操作数栈都已经完全确定了。 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,用于存放方法参数和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。
变量槽是可以重用的,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,方法返回时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。