文章目录

3. 运行时数据区及程序计数器
4. 虚拟机栈

3. 运行时数据区及程序计数器

3.1. 运行时数据区

3.1.1. 概述

本节主要讲的是运行时数据区，也就是下图这部分，它是在类加载完成后的阶段

第02章_JVM架构-简图

当我们通过前面的：类的加载-> 验证 -> 准备 -> 解析 -> 初始化这几个阶段完成后，就会用到执行引擎对我们的类进行使用，同时执行引擎将会使用到我们运行时数据区

第03章_引入运行时数据区

内存是非常重要的系统资源，是硬盘和 CPU 的中间仓库及桥梁，承载着操作系统和应用程序的实时运行 JVM 内存布局规定了 Java 在运行过程中内存申请、分配、管理的策略，保证了 JVM 的高效稳定运行。不同的 JVM 对于内存的划分方式和管理机制存在着部分差异。结合 JVM 虚拟机规范，来探讨一下经典的 JVM 内存布局。

我们把大厨后面的东西（切好的菜，刀，调料），比作是运行时数据区。而厨师可以类比于执行引擎，将通过准备的东西进行制作成精美的菜品

我们通过磁盘或者网络 IO 得到的数据，都需要先加载到内存中，然后 CPU 从内存中获取数据进行读取，也就是说内存充当了 CPU 和磁盘之间的桥梁

Java 虚拟机定义了若干种程序运行期间会使用到的运行时数据区，其中有一些会随着虚拟机启动而创建，随着虚拟机退出而销毁。另外一些则是与线程一一对应的，这些与线程对应的数据区域会随着线程开始和结束而创建和销毁。

灰色的为单独线程私有的，红色的为多个线程共享的。即：

每个线程：独立包括程序计数器、栈、本地栈。
线程间共享：堆、堆外内存（永久代或元空间、代码缓存） ==> 堆外内存可以理解为方法区

第03章_线程共享和私有的结构

每个 JVM 只有一个 Runtime 实例。即为运行时环境，相当于内存结构的中间的那个框框：运行时环境。

3.1.2. 线程

线程是一个程序里的运行单元。JVM 允许一个应用有多个线程并行的执行。在 Hotspot JVM 里，每个线程都与操作系统的本地线程直接映射。

当一个 Java 线程准备好执行以后，此时一个操作系统的本地线程也同时创建。Java 线程执行终止后，本地线程也会回收。

操作系统负责所有线程的安排调度到任何一个可用的 CPU 上。一旦本地线程初始化成功，它就会调用 Java 线程中的 run()方法。

3.1.3. JVM 系统线程

如果你使用 Jconsole 或者是任何一个调试工具，都能看到在后台有许多线程在运行。这些后台线程不包括调用public static void main(String[] args)的 main 线程以及所有这个 main 线程自己创建的线程。

这些主要的后台系统线程在 Hotspot JVM 里主要是以下几个：

虚拟机线程：这种线程的操作是需要 JVM 达到安全点才会出现。这些操作必须在不同的线程中发生的原因是他们都需要 JVM 达到安全点，这样堆才不会变化。这种线程的执行类型包括"stop-the-world"的垃圾收集，线程栈收集，线程挂起以及偏向锁撤销。
周期任务线程：这种线程是时间周期事件的体现（比如中断），他们一般用于周期性操作的调度执行。
GC 线程：这种线程对在 JVM 里不同种类的垃圾收集行为提供了支持。
编译线程：这种线程在运行时会将字节码编译成到本地代码。
信号调度线程：这种线程接收信号并发送给 JVM，在它内部通过调用适当的方法进行处理。

3.2. 程序计数器(PC 寄存器)

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（或指令计数器）会更加贴切（也称为程序钩子），并且也不容易引起一些不必要的误会。JVM 中的 PC 寄存器是对物理 PC 寄存器的一种抽象模拟。

作用

PC 寄存器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，几乎可以忽略不记。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。

任何时间一个线程都只有一个方法在执行，也就是所谓的当前方法。程序计数器会存储当前线程正在执行的 Java 方法的 JVM 指令地址；或者，如果是在执行 native 方法(C/C++编写的)，则是未指定值（undefined）。

它是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。==> 类似于Mysql中的游标,Java集合中的迭代器…

字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令。

它是唯一一个在 Java 虚拟机规范中没有规定任何 OutofMemoryError 情况的区域。

备注:栈区和PC计数器都无GC.PC只负责获取下一条要执行的指令,也无OOM(OutofMemoryError),而堆,栈,方法区都可能出现OOM.所以PC计数器既没有GC有没有OOM,是一个很特殊的区域.

举例说明

public class PCRegisterTest {

    public static void main(String[] args) {
        int i = 10;
        int j = 20;
        int k = i + j;

        String s = "abc";
        System.out.println(i);
        System.out.println(k);

    }
}

字节码文件：

 0: bipush        10	# 赋值
 2: istore_1			# 保存
 3: bipush        20	# 赋值
 5: istore_2			# 保存
 6: iload_1				# 加载进来
 7: iload_2
 8: iadd				# 相加
 9: istore_3			# 保存
 10: ldc           #2                  // String abc
 12: astore        4
 14: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
 17: iload_1
 18: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
 21: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
 24: iload_3
 25: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
 28: return

图解:

使用 PC 寄存器存储字节码指令地址有什么用呢？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，就得知道接着从哪开始继续执行。

JVM 的字节码解释器就需要通过改变 PC 寄存器的值来明确下一条应该执行什么样的字节码指令。

PC 寄存器为什么被设定为私有的？

我们都知道所谓的多线程在一个特定的时间段内只会执行其中某一个线程的方法，CPU 会不停地做任务切换，这样必然导致经常中断或恢复，如何保证分毫无差呢？为了能够准确地记录各个线程正在执行的当前字节码指令地址，最好的办法自然是为每一个线程都分配一个 PC 寄存器，这样一来各个线程之间便可以进行独立计算，从而不会出现相互干扰的情况。

由于 CPU 时间片轮限制，众多线程在并发执行过程中，任何一个确定的时刻，一个处理器或者多核处理器中的一个内核，只会执行某个线程中的一条指令。

这样必然导致经常中断或恢复，如何保证分毫无差呢？每个线程在创建后，都会产生自己的程序计数器和栈帧，程序计数器在各个线程之间互不影响。

CPU 时间片

CPU 时间片即 CPU 分配给各个程序的时间，每个线程被分配一个时间段，称作它的时间片。

在宏观上：我们可以同时打开多个应用程序，每个程序并行不悖，同时运行。

但在微观上：由于只有一个 CPU，一次只能处理程序要求的一部分，如何处理公平，一种方法就是引入时间片，每个程序轮流执行。

补充:

并行 VS 串行并行:同一时间点都在执行, 串行:排队依次执行.
并发 : 同一时间段都在执行，但同一时间点不一定都执行

例子:并发是两个队列交替使用一台咖啡机，并行是两个队列同时使用两台咖啡机.

4. 虚拟机栈

4.1. 虚拟机栈概述

4.1.1. 虚拟机栈出现的背景

由于跨平台性的设计，Java 的指令都是根据栈来设计的。不同平台 CPU 架构不同，所以不能设计为基于寄存器的。

优点是跨平台，指令集小，编译器容易实现，缺点是性能下降，实现同样的功能需要更多的指令。

4.1.2. 初步印象

有不少 Java 开发人员一提到 Java 内存结构，就会非常粗粒度地将 JVM 中的内存区理解为仅有 Java 堆（heap）和 Java 栈（stack）？为什么？

4.1.3. 内存中的栈与堆

栈是运行时的单位，而堆是存储的单位

栈解决程序的运行问题，即程序如何执行，或者说如何处理数据。
堆解决的是数据存储的问题，即数据怎么放，放哪里

4.1.4. 虚拟机栈基本内容

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。

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种基本数据类型、对象的引用类型）、部分结果，并参与方法的调用和返回。

补充:

局部变量 VS 成员变量(或属性)
基本数据变量 VS 引用类型变量(类、数组、接口)

栈的特点

栈是一种快速有效的分配存储方式，访问速度仅次于PC计数器。

JVM 直接对 Java 栈的操作只有两个：

每个方法执行，伴随着进栈（入栈、压栈）
执行结束后的出栈工作

对于栈来说不存在垃圾回收问题（栈存在溢出的情况）

面试题：开发中遇到哪些异常？

栈中可能出现的异常

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 异常。
如果 Java 虚拟机栈可以动态扩展，并且在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 异常。

public static void main(String[] args) {
    main(args);
}
//抛出异常：Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
//程序不断的进行递归调用，而且没有退出条件，就会导致不断地进行压栈。

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

/**
 * 演示栈中的异常:StackOverflowError
 * @author shkstart
 * @create 2020 下午 9:08
 *
 *  默认情况下：count : 11417
 *  设置栈的大小： -Xss256k : count : 2460
 */
public class StackErrorTest {
    private static int count = 1;
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(count);
        count++;
        main(args);
    }
}

4.2. 栈的存储单位

4.2.1. 栈中存储什么？

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（Stack Frame）。

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。

4.2.2. 栈运行原理

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“先进后出”/“后进先出”原则。

在一条活动线程中，一个时间点上，只会有一个活动的栈帧。即只有当前正在执行的方法的栈帧（栈顶栈帧）是有效的，这个栈帧被称为当前栈帧（Current Frame），与当前栈帧相对应的方法就是当前方法（Current Method），定义这个方法的类就是当前类（Current Class）。

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。

第05章_方法与栈桢

不同线程中所包含的栈帧是不允许存在相互引用的，即不可能在一个栈帧之中引用另外一个线程的栈帧。

如果当前方法调用了其他方法，方法返回之际，当前栈帧会传回此方法的执行结果给前一个栈帧，接着，虚拟机会丢弃当前栈帧，使得前一个栈帧重新成为当前栈帧。

Java 方法有两种返回函数的方式，一种是正常的函数返回，使用 return 指令；另外一种是抛出异常。不管使用哪种方式，都会导致栈帧被弹出。

/**
 * @author shkstart
 * @create 2020 下午 4:11
 *
 * 方法的结束方式分为两种：① 正常结束，以return为代表  ② 方法执行中出现未捕获处理的异常，以抛出异常的方式结束
 *
 */
public class StackFrameTest {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            StackFrameTest test = new StackFrameTest();
            test.method1();

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("main()正常结束");

    }

    public void method1(){
        System.out.println("method1()开始执行...");
        method2();
        System.out.println("method1()执行结束...");
}

    public int method2() {
        System.out.println("method2()开始执行...");
        int i = 10;
        int m = (int) method3();
        System.out.println("method2()即将结束...");
        return i + m;
    }

    public double method3() {
        System.out.println("method3()开始执行...");
        double j = 20.0;
        System.out.println("method3()即将结束...");
        return j;
    }

}

4.2.3. 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）（或表达式栈）
动态链接（DynamicLinking）（或指向运行时常量池的方法引用）
方法返回地址（Return Address）（或方法正常退出或者异常退出的定义）
一些附加信息

第05章_栈桢内部结构

并行每个线程下的栈都是私有的，因此每个线程都有自己各自的栈，并且每个栈里面都有很多栈帧，栈帧的大小主要由局部变量表和操作数栈决定的

4.3. 局部变量表(Local Variables)

局部变量表也被称之为局部变量数组或本地变量表

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（reference），以及 returnAddress 类型。
由于局部变量表是建立在线程的栈上，是线程的私有数据，因此不存在数据安全问题
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。
方法嵌套调用的次数由栈的大小决定。一般来说，栈越大，方法嵌套调用次数越多。对一个函数而言，它的参数和局部变量越多，使得局部变量表膨胀，它的栈帧就越大，以满足方法调用所需传递的信息增大的需求。进而函数调用就会占用更多的栈空间，导致其嵌套调用次数就会减少。
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。

**补充:**栈的大小决定方法嵌套的次数,也就是栈帧的多少,栈帧的大小由局部变量表决定.

代码验证观察局部变量表:

/**
 * @author shkstart
 * @create 2020 下午 6:13
 */
public class LocalVariablesTest {
    private int count = 0;

    public static void main(String[] args) {
        LocalVariablesTest test = new LocalVariablesTest();
        int num = 10;
        test.test1();
    }
    public void test1() {
        Date date = new Date();
        String name1 = "atguigu.com";
        test2(date, name1);
        System.out.println(date + name1);
    }
}

利用javap反编译观察结果:

通过jclasslib进行观察:

根据jclasslib详细分析代码执行结构:

补充: 字节码中方法内部结构的剖析图(结合Jclasslib)

4.3.1. 关于 Slot 的理解

局部变量表，最基本的存储单元是 Slot（变量槽）
参数值的存放总是在局部变量数组的 index 0 开始，到数组长度-1 的索引结束。
局部变量表中存放编译期可知的各种基本数据类型（8 种），引用类型（reference），returnAddress 类型的变量。
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。
- byte、short、char 在存储前被转换为 int，boolean 也被转换为 int，0 表示 false，非 0 表示 true。
- long和double则占据两个Slot
JVM 会为局部变量表中的每一个 Slot 都分配一个访问索引，通过这个索引即可成功访问到局部变量表中指定的局部变量值
当一个实例方法被调用的时候，它的方法参数和方法体内部定义的局部变量将会按照顺序被复制到局部变量表中的每一个 slot 上
如果需要访问局部变量表中一个 64bit 的局部变量值时，只需要使用前一个索引即可。（比如：访问 long 或 double 类型变量）
如果当前帧是由构造方法或者实例方法创建的，那么该对象引用 this 将会存放在 index 为 0 的 slot 处，其余的参数按照参数表顺序继续排列。

方法与局部变量表对照图:

方法与局部变量表对照图

4.3.2. Slot 的重复利用

栈帧中的局部变量表中的槽位是可以重用的，如果一个局部变量过了其作用域，那么在其作用域之后申明的新的局部变就很有可能会复用过期局部变量的槽位，从而达到节省资源的目的。

Slot重复利用示意图:

Slot重复利用示意图

4.3.3. 静态变量与局部变量的对比

参数表分配完毕之后，再根据方法体内定义的变量的顺序和作用域分配。

我们知道类变量表有两次初始化的机会，第一次是在“准备阶段”，执行系统初始化，对类变量设置零值，另一次则是在“初始化”阶段，赋予程序员在代码中定义的初始值。

和类变量初始化不同的是，局部变量表不存在系统初始化的过程，这意味着一旦定义了局部变量则必须人为的初始化，否则无法使用。

public void test(){
    int i;
    System. out. println(i);//System.out.println(num);//错误信息：Variable 'num' might not have been initialized
}

这样的代码是错误的，没有赋值不能够使用。

**补充:**变量的分类：

按照数据类型分：① 基本数据类型 ② 引用数据类型
按照在类中声明的位置分：
- 成员变量：在使用前，都经历过默认初始化赋值.
  - 类变量(静态变量)： linking的prepare阶段：给类变量默认赋值 —> initial阶段：给类变量显式赋值即静态代码块赋值
  - 实例变量：随着对象的创建，会在堆空间中分配实例变量空间，并进行默认赋值
- 局部变量：在使用前，必须要进行显式赋值的！否则，编译不通过

4.3.4. 补充说明

在栈帧中，与性能调优关系最为密切的部分就是前面提到的局部变量表。在方法执行时，虚拟机使用局部变量表完成方法的传递。

局部变量表中的变量也是重要的垃圾回收根节点，只要被局部变量表中直接或间接引用的对象都不会被回收。

4.4. 操作数栈（Operand Stack）

每一个独立的栈帧除了包含局部变量表以外，还包含一个后进先出（Last-In-First-Out）的操作数栈，也可以称之为表达式栈（Expression Stack）

操作数栈，在方法执行过程中，根据字节码指令，往栈中写入数据或提取数据，即入栈（push）和出栈（pop）

某些字节码指令将值压入操作数栈，其余的字节码指令将操作数取出栈。使用它们后再把结果压入栈
比如：执行复制、交换、求和等操作

代码举例

public void testAddOperation(){
    byte i = 15;
    int j = 8;
    int k = i + j;
}

字节码指令信息

public void testAddOperation();
    Code:
    0: bipush 15
    2: istore_1
    3: bipush 8
    5: istore_2
    6:iload_1
    7:iload_2
    8:iadd
    9:istore_3
    10:return

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。

操作数栈就是 JVM 执行引擎的一个工作区，当一个方法刚开始执行的时候，一个新的栈帧也会随之被创建出来，这个方法的操作数栈是空的。

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。

栈中的任何一个元素都是可以任意的 Java 数据类型

32bit 的类型占用一个栈单位深度
64bit 的类型占用两个栈单位深度

操作数栈并非采用访问索引的方式来进行数据访问的，而是只能通过标准的入栈和出栈操作来完成一次数据访问

如果被调用的方法带有返回值的话，其返回值将会被压入当前栈帧的操作数栈中，并更新 PC 寄存器中下一条需要执行的字节码指令。

操作数栈中元素的数据类型必须与字节码指令的序列严格匹配，这由编译器在编译器期间进行验证，同时在类加载过程中的类检验阶段的数据流分析阶段要再次验证。

另外，我们说 Java 虚拟机的解释引擎是基于栈的执行引擎，其中的栈指的就是操作数栈。

**备注:**操作数栈和局部变量表的底层都是数组,所以对于double和long类型数据需要两个单位存储.

4.5. 代码追踪

public void testAddOperation() {
    byte i = 15;
    int j = 8;
    int k = i + j;
}

使用 javap 命令反编译 class 文件：javap -v 类名.class

public void testAddoperation(); 		
	Code:	
     0 bipush 15
     2 istore_1
     3 bipush 8
     5 istore_2
     6 iload_1
     7 iload_2
     8 iadd
     9 istore_3
    10 return

涉及操作数栈的字节码指令执行分析:

设计操作数栈的字节码指令执行分析

istore 指令会导致出栈并且写入局部变量表 ipush:放入操作数栈
istore和istore一样，只不过istore只有0到3（其实是四个不同的指令，操作数隐式指定），再往后就得用istore了，因为还需要显式指出槽位，所以要占两个字节.

4.6. 栈顶缓存技术（Top Of Stack Cashing）技术

前面提过，基于栈式架构的虚拟机所使用的零地址指令更加紧凑，但完成一项操作的时候必然需要使用更多的入栈和出栈指令，这同时也就意味着将需要更多的指令分派（instruction dispatch）次数和内存读/写次数。

由于操作数是存储在内存中的，因此频繁地执行内存读/写操作必然会影响执行速度。为了解决这个问题，HotSpot JVM 的设计者们提出了栈顶缓存（Tos，Top-of-Stack Cashing）技术，将栈顶元素全部缓存在物理 CPU 的寄存器中，以此降低对内存的读/写次数，提升执行引擎的执行效率。

**寄存器的优点:**指令更少,执行速度更快

4.7. 动态链接（Dynamic Linking）

动态链接、方法返回地址、附加信息：有些地方被称为帧数据区

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属方法的引用。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（Dynamic Linking）。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（Symbolic Reference）保存在 class 文件的常量池里。比如：描述一个方法调用了另外的其他方法时，就是通过常量池中指向方法的符号引用来表示的，那么动态链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。

第09章_方法区与栈的关联结构

代码演示:

public class DynamicLinkingTest {

    int num = 10;

    public void methodA(){
        System.out.println("methodA()....");
    }

    public void methodB(){
        System.out.println("methodB()....");

        methodA();

        num++;
    }
}

动态链接

为什么需要运行时常量池呢？

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. 也便于变量或者方法引用的多次引用.另外字节码文件中需要很多数据的支持,通常这些数据很大,我们不能直接保存在字节码中,所以我们通过符号引用相关的结构

4.8. 方法的调用：解析与分配

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

4.8.1. 静态链接

当一个字节码文件被装载进 JVM 内部时，如果被调用的目标方法在编译期可知，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

4.8.2. 动态链接

如果被调用的方法在编译期无法被确定下来，只能够在程序运行期将调用的方法的符号转换为直接引用，由于这种引用转换过程具备动态性，因此也被称之为动态链接。

静态链接和动态链接不是名词，而是动词，这是理解的关键。

对应的方法的绑定机制为：早期绑定（Early Binding）和晚期绑定（Late Binding）。绑定是一个字段、方法或者类在符号引用被替换为直接引用的过程，这仅仅发生一次。

4.8.3. 早期绑定

早期绑定就是指被调用的目标方法如果在编译期可知，且运行期保持不变时，即可将这个方法与所属的类型进行绑定，这样一来，由于明确了被调用的目标方法究竟是哪一个，因此也就可以使用静态链接的方式将符号引用转换为直接引用。

4.8.4. 晚期绑定

如果被调用的方法在编译期无法被确定下来，只能够在程序运行期根据实际的类型绑定相关的方法，这种绑定方式也就被称之为晚期绑定。

随着高级语言的横空出世，类似于 Java 一样的基于面向对象的编程语言如今越来越多，尽管这类编程语言在语法风格上存在一定的差别，但是它们彼此之间始终保持着一个共性，那就是都支持封装、继承和多态等面向对象特性，既然这一类的编程语言具备多态特征，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，它们相当于 C++语言中的虚函数（C++中则需要使用关键字 virtual 来显式定义）。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。

代码演示:

/**
 * 说明早期绑定和晚期绑定的例子
 * @author shkstart
 * @create 2020 上午 11:59
 */
class Animal{

    public void eat(){
        System.out.println("动物进食");
    }
}
interface Huntable{
    void hunt();
}
class Dog extends Animal implements Huntable{
    @Override
    public void eat() {
        System.out.println("狗吃骨头");
    }

    @Override
    public void hunt() {
        System.out.println("捕食耗子，多管闲事");
    }
}

class Cat extends Animal implements Huntable{

    public Cat(){
        super();//表现为：早期绑定
    }

    public Cat(String name){
        this();//表现为：早期绑定
    }

    @Override
    public void eat() {
        super.eat();//表现为：早期绑定
        System.out.println("猫吃鱼");
    }

    @Override
    public void hunt() {
        System.out.println("捕食耗子，天经地义");
    }
}
public class AnimalTest {
    public void showAnimal(Animal animal){
        animal.eat();//表现为：晚期绑定
    }
    public void showHunt(Huntable h){
        h.hunt();//表现为：晚期绑定
    }
}

4.8.5. 虚方法和非虚方法

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。

虚拟机中提供了以下几条方法调用指令：

普通调用指令：

invokestatic：调用静态方法，解析阶段确定唯一方法版本
invokespecial：调用方法、私有及父类方法，解析阶段确定唯一方法版本
invokevirtual：调用所有虚方法
invokeinterface：调用接口方法

代码演示

/**
 * 解析调用中非虚方法、虚方法的测试
 *
 * invokestatic指令和invokespecial指令调用的方法称为非虚方法
 * @author shkstart
 * @create 2020 下午 12:07
 */
class Father {
    public Father() {
        System.out.println("father的构造器");
    }

    public static void showStatic(String str) {
        System.out.println("father " + str);
    }

    public final void showFinal() {
        System.out.println("father show final");
    }

    public void showCommon() {
        System.out.println("father 普通方法");
    }
}

public class Son extends Father {
    public Son() {
        //invokespecial
        super();
    }
    public Son(int age) {
        //invokespecial
        this();
    }
    //不是重写的父类的静态方法，因为静态方法不能被重写！
    public static void showStatic(String str) {
        System.out.println("son " + str);
    }
    private void showPrivate(String str) {
        System.out.println("son private" + str);
    }

    public void show() {
        //invokestatic
        showStatic("atguigu.com");
        //invokestatic
        super.showStatic("good!");
        //invokespecial
        showPrivate("hello!");
        //invokespecial
        super.showCommon();

        //invokespecial:非虚方法,编译期便可知道.
        super.showFinal();
        //invokevirtual
        showFinal();//因为此方法声明有final，不能被子类重写(但是可以直接调用啊.)，所以也认为此方法是非虚方法。备注:虽然invokevirtual一般调用的是虚方法,但是 final修饰的方法例外.

        //虚方法如下：
        //invokevirtual
        showCommon();//没有super调用,且当前类可能重写该方法.所以无法确定.

        //info 在编译期间无法确定下来.首先它不属于父类的方法，是子类中额外加入的功能方法.如果Son的子类对其进行重写,可以构成多态.
        //例:如果存在一个类继承了Son，那具体用的是Son的info还是Son子类的info，编译器就确定不了了
        info();

        MethodInterface in = null;
        //invokeinterface
        in.methodA();
    }

    public void info(){

    }

    public void display(Father f){
        f.showCommon();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Son so = new Son();
        so.show();
    }
}

interface MethodInterface{
    void methodA();
}

动态调用指令：

invokedynamic：动态解析出需要调用的方法，然后执行

前四条指令固化在虚拟机内部，方法的调用执行不可人为干预，而 invokedynamic 指令则支持由用户确定方法版本。其中 invokestatic 指令和 invokespecial 指令调用的方法称为非虚方法，其余的（fina1 修饰的除外）称为虚方法。

关于 invokedynamic 指令

JVM 字节码指令集一直比较稳定，一直到 Java7 中才增加了一个 invokedynamic 指令，这是Java 为了实现「动态类型语言」支持而做的一种改进。 (Java本身还是一种静态类型语言)
但是在 Java7 中并没有提供直接生成 invokedynamic 指令的方法，需要借助 ASM 这种底层字节码工具来产生 invokedynamic 指令。直到 Java8 的 Lambda 表达式的出现，invokedynamic 指令的生成，在 Java 中才有了直接的生成方式。
Java7 中增加的动态语言类型支持的本质是对 Java 虚拟机规范的修改，而不是对 Java 语言规则的修改，这一块相对来讲比较复杂，增加了虚拟机中的方法调用，最直接的受益者就是运行在 Java 平台的动态语言的编译器。

代码演示:

/**
 * 体会invokedynamic指令
 * @author shkstart
 * @create 2020 下午 3:09
 */
@FunctionalInterface
interface Func {
    public boolean func(String str);
}

public class Lambda {
    public void lambda(Func func) {
        return;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Lambda lambda = new Lambda();

        Func func = s -> {
            return true;
        };

        lambda.lambda(func);

        lambda.lambda(s -> {
            return true;
        });
    }
}

运行结果:

动态类型语言和静态类型语言

动态类型语言和静态类型语言两者的区别就在于对类型的检查是在编译期还是在运行期，满足前者就是静态类型语言，反之是动态类型语言。

说的再直白一点就是，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。

举例

Java:String info = “lxylovejava”; // info = 123 这样就会报错. info被赋予String的类型信息.
JS:var name = “lxy123456”; var name = 10;//两种写法都可以,因为是运行期根据值确定类型的 name没有类型信息
Python: info = 130.5; //Python更牛叉,类型声明都不需要了…

4.8.6. 方法重写的本质

Java 语言中方法重写的本质：

找到操作数栈顶的第一个元素所执行的对象的实际类型，记作 C。(也就是说重写会去操作数栈栈顶获取到对象的引用类型，也就是符号引用，通过这个对象的符号引用就可以在堆中找到这个对象.)
如果在类型 C 中找到与常量中的描述符合简单名称都相符的方法，则进行访问权限校验，如果通过则返回这个方法的直接引用，查找过程结束；如果不通过，则返回 java.lang.IllegalAccessError 异常。
否则，按照继承关系从下往上依次对 C 的各个父类进行第 2 步的搜索和验证过程。
如果始终没有找到合适的方法，则抛出 java.lang.AbstractMethodsError 异常。

总结:

在编译阶段，编译器只知道对象的静态类型(类)，而不知道实际类型，因此只能在class文件中确定调用父类的方法。
在执行过程中，它将判断对象的实际类型。如果实际类型实现了这种方法，它将被直接调用。如果没有实现，它将根据继承关系从下到上进行检索。只要检索到，它将被调用。如果没有检索到，它将被抛弃。继续向上层寻找.如果最后没有找到,则说明抽象方法没有被实现,则抛出AbstractMethodsError

IllegalAccessError 介绍

程序试图访问或修改一个属性或调用一个方法，这个属性或方法，你没有权限访问。一般的，这个会引起编译器异常。这个错误如果发生在运行时，就说明一个类发生了不兼容的改变。

4.8.7. 方法的调用：虚方法表

在面向对象的编程中，会很频繁的使用到动态分派，如果在每次动态分派(invokevirtual)的过程中都要重新在类的方法元数据中搜索合适的目标的话就可能影响到执行效率。因此，为了提高性能，JVM 采用在类的方法区建立一个虚方法表（virtual method table）（非虚方法不会出现在表中）来实现。使用索引表来代替查找。

每个类中都有一个虚方法表，表中存放着各个方法的实际入口。(每次调用方法,直接从虚方法表中找各个方法的是哪个类型的信息)

虚方法表是什么时候被创建的呢？

虚方法表会在类加载的链接阶段被创建并开始初始化，类的变量初始值准备完成之后，JVM 会把该类的方法表也初始化完毕。

代码演示:

举例 1：

举例 2：

/**
 * 虚方法表的举例
 *
 * @author shkstart
 * @create 2020 下午 1:11
 */
interface Friendly {
    void sayHello();
    void sayGoodbye();
}
class Dog {
    public void sayHello() {
    }
    public String toString() {
        return "Dog";
    }
}
class Cat implements Friendly {
    public void eat() {
    }
    public void sayHello() {
    }
    public void sayGoodbye() {
    }
    protected void finalize() {
    }
    public String toString(){
        return "Cat";
    }
}

class CockerSpaniel extends Dog implements Friendly {
    public void sayHello() {
        super.sayHello();
    }
    public void sayGoodbye() {
    }
}

public class VirtualMethodTable {
}

虚函数表

4.9. 方法返回地址（return address）

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。

总结:

当执行到A调用B的方法时，pc记录的是A的下一条指令，当B的栈帧被创建并作为当前栈帧时同时也获取到pc中的值并生成了返回地址，当B方法return，pc的值就是返回地址 (注意:返回地址和返回值是两回事哦)
方法返回地址记录的是当前栈帧的上一级栈帧的执行位置而pc寄存器存储的永远是当前栈帧的执行位置

当一个方法开始执行后，只有两种方式可以退出这个方法：

执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令（return），会有返回值传递给上层的方法调用者，简称正常完成出口；
- 一个方法在正常调用完成之后，究竟需要使用哪一个返回指令，还需要根据方法返回值的实际数据类型而定。
- 在字节码指令中，返回指令包含 ireturn（当返回值是 boolean，byte，char，short 和 int 类型时使用），lreturn（Long 类型），freturn（Float 类型），dreturn（Double 类型），areturn。另外还有一个 return 指令声明为 void 的方法，实例初始化方法，类和接口的初始化方法使用。
在方法执行过程中遇到异常（Exception），并且这个异常没有在方法内进行处理，也就是只要在本方法的异常表中没有搜索到匹配的异常处理器，就会导致方法退出，简称异常完成出口。

代码演示:

/**
 *
 * 返回指令包含ireturn（当返回值是boolean、byte、char、short和int类型时使用）、
 * lreturn、freturn、dreturn以及areturn，另外还有一个return指令供声明为void的方法、
 * 实例初始化方法、类和接口的初始化方法使用。
 *
 * @author shkstart
 * @create 2020 下午 4:05
 */
public class ReturnAddressTest {
    
    //构造方法返回指令:return
    
    public boolean methodBoolean() {
        return false;//ireturn;
    }

    public byte methodByte() {
        return 0;//ireturn;
    }

    public short methodShort() {
        return 0;//ireturn;
    }

    public char methodChar() {
        return 'a';//ireturn;
    }

    public int methodInt() {
        return 0;//ireturn;
    }

    public long methodLong() {
        return 0L;//lreturn;
    }

    public float methodFloat() {
        return 0.0f;//freturn;
    }

    public double methodDouble() {
        return 0.0;//dreturn;
    }

    public String methodString() {
        return null;//areturn;
    }

    public Date methodDate() {
        return null;//areturn;
    }

    public void methodVoid() {//return;

    }

    static {
        int i = 10;
    }


    //
    public void method2() {

        methodVoid();

        try {
            method1();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public void method1() throws IOException {
        FileReader fis = new FileReader("atguigu.txt");
        char[] cBuffer = new char[1024];
        int len;
        while ((len = fis.read(cBuffer)) != -1) {
            String str = new String(cBuffer, 0, len);
            System.out.println(str);
        }
        fis.close();
    }
}

方法执行过程中，抛出异常时的异常处理，存储在一个异常处理表，方便在发生异常的时候找到处理异常的代码,如下图所示:

Exception 	table:
from  to   target  type	
4	  16    19 	   any  //字节码4-16行出任何问题了,按照19行的解决方法处理.
19	  21	19     any //字节码19-21行出任何问题了,按照19行的解决方法处理.

本质上，方法的退出就是当前栈帧出栈的过程。此时，需要恢复上层方法的局部变量表、操作数栈、将返回值压入调用者栈帧的操作数栈、设置 PC 寄存器值(用返回地址)等，让调用者方法继续执行下去。

正常完成出口和异常完成出口的区别在于：通过异常完成出口退出的不会给他的上层调用者产生任何的返回值。

注意:

返回地址和返回值是两回事，当前方法正常执行两者都有，既能接续上层方法又向其传递返回值；当前方法异常且未处理两者都没，此时能否接续上层方法的依据是上层方法的异常表.
每个方法对应一个异常处理表，方法对应着栈帧，栈帧存在于Java虚拟机栈，Java虚拟机栈和本地方法栈两者是不一样的.

4.10. 一些附加信息

栈帧中还允许携带与 Java 虚拟机实现相关的一些附加信息。例如：对程序调试提供支持的信息。

4.11. 栈的相关面试题

举例栈溢出的情况？（StackOverflowError）
- 通过 -Xss 设置栈的大小 (内存空间不足出现OOM)
调整栈大小，就能保证不出现溢出么？
- 不能保证不溢出 (可以延迟其溢出时间…)
分配的栈内存越大越好么？
- 不是，一定时间内降低了 OOM 概率，但是会挤占其它的线程空间，因为整个空间是有限的。
垃圾回收是否涉及到虚拟机栈？
- 不会
方法中定义的局部变量是否线程安全？
- 具体问题具体分析。如果对象是在内部产生，并在内部消亡，没有返回到外部，那么它就是线程安全的，反之则是线程不安全的。

方法中定义的局部变量是否线程安全？

代码演示

/**
 * 面试题：
 * 方法中定义的局部变量是否线程安全？具体情况具体分析
 *
 *   何为线程安全？
 *      如果只有一个线程才可以操作此数据，则必是线程安全的。
 *      如果有多个线程操作此数据，则此数据是共享数据。如果不考虑同步机制的话，会存在线程安全问题。
 * @author shkstart
 * @create 2020 下午 7:48
 */
public class StringBuilderTest {

    int num = 10;

    //s1的声明方式是线程安全的  内部产生内部消亡就是线程安全的!
    public static void method1(){
        //StringBuilder:线程不安全
        StringBuilder s1 = new StringBuilder();
        s1.append("a");
        s1.append("b");
        //...
    }
    //sBuilder的操作过程：是线程不安全的    sBuilder创建后除了当前方法,可能被其他多个线程操作..
    public static void method2(StringBuilder sBuilder){
        sBuilder.append("a");
        sBuilder.append("b");
        //...
    }
    //s1的操作：是线程不安全的  因为有返回值,可能被多个线程抢用.
    public static StringBuilder method3(){
        StringBuilder s1 = new StringBuilder();
        s1.append("a");
        s1.append("b");
        return s1;
    }
    //s1的操作：是线程安全的  类似于情况1
    public static String method4(){
        StringBuilder s1 = new StringBuilder();
        s1.append("a");
        s1.append("b");
        return s1.toString();//返回的String可能被多个线程强用,但是StringBuilder是安全的,随着方法的消亡而消亡.
    }

    public static void main(String[] args) {
        StringBuilder s = new StringBuilder();

        new Thread(() -> {//可以看出method2是线程不安全的.
            s.append("a");
            s.append("b");
        }).start();

        method2(s);

    }

}

比较运行时数据区的Error和GC的情况

运行时数据区	是否存在 Error	是否存在 GC
程序计数器	否	否
虚拟机栈	是（SOE）	否
本地方法栈	是	否
方法区	是（OOM）	是
堆	是	是

＜JVM上篇：内存与垃圾回收篇＞03-程序计数器 | 虚拟机栈

文章目录

3. 运行时数据区及程序计数器

3.1. 运行时数据区

3.1.1. 概述

3.1.2. 线程

3.1.3. JVM 系统线程

3.2. 程序计数器(PC 寄存器)

4. 虚拟机栈

4.1. 虚拟机栈概述

4.1.1. 虚拟机栈出现的背景

4.1.2. 初步印象

4.1.3. 内存中的栈与堆

4.1.4. 虚拟机栈基本内容

Java 虚拟机栈是什么？

生命周期

作用

栈的特点

面试题：开发中遇到哪些异常？

4.2. 栈的存储单位

4.2.1. 栈中存储什么？

4.2.2. 栈运行原理

4.2.3. 栈帧的内部结构

4.3. 局部变量表(Local Variables)

4.3.1. 关于 Slot 的理解

4.3.2. Slot 的重复利用

4.3.3. 静态变量与局部变量的对比

4.3.4. 补充说明

4.4. 操作数栈（Operand Stack）

4.5. 代码追踪

4.6. 栈顶缓存技术（Top Of Stack Cashing）技术

4.7. 动态链接（Dynamic Linking）

4.8. 方法的调用：解析与分配

4.8.1. 静态链接

4.8.2. 动态链接

4.8.3. 早期绑定

4.8.4. 晚期绑定

4.8.5. 虚方法和非虚方法

普通调用指令：

动态调用指令：

动态类型语言和静态类型语言

4.8.6. 方法重写的本质

4.8.7. 方法的调用：虚方法表

4.9. 方法返回地址（return address）

4.10. 一些附加信息

4.11. 栈的相关面试题