攜程面試官竟然問(wèn)我 Java 虛擬機(jī)棧！
大家好，我是那個(gè)永遠(yuǎn) 18 歲的老妖怪~噓
從《JVM 內(nèi)存區(qū)域劃分》這篇文章中，大家應(yīng)該 get 到了，Java 虛擬機(jī)內(nèi)存區(qū)域可以劃分為程序計(jì)數(shù)器、Java 虛擬機(jī)棧、本地方法棧和堆。今天，我們來(lái)圍繞其中的一個(gè)區(qū)域——Java 虛擬機(jī)棧，深入地展開下。
先說(shuō)明一下哈。這篇文章的標(biāo)題里帶了一個(gè)“攜程面試官”，有標(biāo)題黨的嫌疑。但有一說(shuō)一，確實(shí)有讀者在上一篇文章里留言說(shuō)，攜程面試官問(wèn)他了 Java 虛擬機(jī)內(nèi)存方面的知識(shí)點(diǎn)，所以今天的標(biāo)題我就“借題發(fā)揮”了。
從“相見恨晚”這個(gè)詞中，我估摸著這名讀者在這道面試題前面折戟沉沙了。這么說(shuō)吧，面試官確實(shí)喜歡問(wèn) Java 虛擬機(jī)方面的知識(shí)點(diǎn)，因?yàn)楹苣芸疾斐鲆幻麘?yīng)聘者的真實(shí)功底，所以我打算多寫幾篇這方面的文章，希望能給大家多一點(diǎn)點(diǎn)幫助~
Java 虛擬機(jī)以方法作為基本的執(zhí)行單元，“棧幀（Stack Frame）”則是用于支持 Java 虛擬機(jī)進(jìn)行方法調(diào)用和方法執(zhí)行的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。每一個(gè)棧幀中都包含了局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法返回地址和一些額外的附加信息（比如與調(diào)試、性能手機(jī)相關(guān)的信息）。之前的文章里有提到過(guò)這些概念，并做了一些簡(jiǎn)單扼要的介紹，但我覺(jué)得還不夠詳細(xì)，所以這篇重點(diǎn)要來(lái)介紹一下棧幀中的這些概念。
1）局部變量表
局部變量表（Local Variables Table）用來(lái)保存方法中的局部變量，以及方法參數(shù)。當(dāng) Java 源代碼文件被編譯成 class 文件的時(shí)候，局部變量表的最大容量就已經(jīng)確定了。
我們來(lái)看這樣一段代碼。
public class LocalVaraiablesTable {
private void write(int age) {
String name = "沉默王二";
}
}
write() 方法有一個(gè)參數(shù) age，一個(gè)局部變量 name。
然后用 Intellij IDEA 的 jclasslib 查看一下編譯后的字節(jié)碼文件 LocalVaraiablesTable.class。可以看到 write() 方法的 Code 屬性中，Maximum local variables（局部變量表的最大容量）的值為 3。
按理說(shuō)，局部變量表的最大容量應(yīng)該為 2 才對(duì)，一個(gè) age，一個(gè) name，為什么是 3 呢？
當(dāng)一個(gè)成員方法（非靜態(tài)方法）被調(diào)用時(shí)，第 0 個(gè)變量其實(shí)是調(diào)用這個(gè)成員方法的對(duì)象引用，也就是那個(gè)大名鼎鼎的 this。調(diào)用方法 write(18)，實(shí)際上是調(diào)用 write(this, 18)。
點(diǎn)開 Code 屬性，查看 LocalVaraiableTable 就可以看到詳細(xì)的信息了。
第 0 個(gè)是 this，類型為 LocalVaraiablesTable 對(duì)象；第 1 個(gè)是方法參數(shù) age，類型為整形 int；第 2 個(gè)是方法內(nèi)部的局部變量 name，類型為字符串 String。
當(dāng)然了，局部變量表的大小并不是方法中所有局部變量的數(shù)量之和，它與變量的類型和變量的作用域有關(guān)。當(dāng)一個(gè)局部變量的作用域結(jié)束了，它占用的局部變量表中的位置就被接下來(lái)的局部變量取代了。
來(lái)看下面這段代碼。
public static void method() {
// ①
if (true) {
// ②
String name = "沉默王二";
}
// ③
if(true) {
// ④
int age = 18;
}
// ⑤
}
method()方法的局部變量表大小為 1，因?yàn)槭庆o態(tài)方法，所以不需要添加 this 作為局部變量表的第一個(gè)元素；②的時(shí)候局部變量有一個(gè) name，局部變量表的大小變?yōu)?1； ③的時(shí)候 name 變量的作用域結(jié)束； ④的時(shí)候局部變量有一個(gè) age，局部變量表的大小為 1； ⑤的時(shí)候局 age 變量的作用域結(jié)束；
關(guān)于局部變量的作用域，《Effective Java》 中的第 57 條建議：
將局部變量的作用域最小化，可以增強(qiáng)代碼的可讀性和可維護(hù)性，并降低出錯(cuò)的可能性。
在此，我還有一點(diǎn)要提醒大家。為了盡可能節(jié)省棧幀耗用的內(nèi)存空間，局部變量表中的槽是可以重用的，就像 method() 方法演示的那樣，這就意味著，合理的作用域有助于提高程序的性能。
局部變量表的容量以槽（slot）為最小單位，一個(gè)槽可以容納一個(gè) 32 位的數(shù)據(jù)類型（比如說(shuō) int，當(dāng)然了，《Java 虛擬機(jī)規(guī)范》中沒(méi)有明確指出一個(gè)槽應(yīng)該占用的內(nèi)存空間大小，但我認(rèn)為這樣更容易理解），像 float 和 double 這種明確占用 64 位的數(shù)據(jù)類型會(huì)占用兩個(gè)緊挨著的槽。
來(lái)看下面的代碼。
public void solt() {
double d = 1.0;
int i = 1;
}
用 jclasslib 可以查看到，solt() 方法的 Maximum local variables 的值為 4。
為什么等于 4 呢？帶上 this 也就 3 個(gè)呀？
查看 LocalVaraiableTable 就明白了，變量 i 的下標(biāo)為 3，也就意味著變量 d 占了兩個(gè)槽。
2）操作數(shù)棧
同局部變量表一樣，操作數(shù)棧（Operand Stack）的最大深度也在編譯的時(shí)候就確定了，被寫入到了 Code 屬性的 maximum stack size 中。當(dāng)一個(gè)方法剛開始執(zhí)行的時(shí)候，操作數(shù)棧是空的，在方法執(zhí)行過(guò)程中，會(huì)有各種字節(jié)碼指令往操作數(shù)棧中寫入和取出數(shù)據(jù)，也就是入棧和出棧操作。
來(lái)看下面這段代碼。
public class OperandStack {
public void test() {
add(1,2);
}
private int add(int a, int b) {
return a + b;
}
}
OperandStack 類共有 2 個(gè)方法，test() 方法中調(diào)用了 add() 方法，傳遞了 2 個(gè)參數(shù)。用 jclasslib 可以看到，test() 方法的 maximum stack size 的值為 3。
這是因?yàn)檎{(diào)用成員方法的時(shí)候會(huì)將 this 和所有參數(shù)壓入棧中，調(diào)用完畢后 this 和參數(shù)都會(huì)一一出棧。通過(guò) 「Bytecode」 面板可以查看到對(duì)應(yīng)的字節(jié)碼指令。
aload_0 用于將局部變量表中下標(biāo)為 0 的引用類型的變量，也就是 this 加載到操作數(shù)棧中； iconst_1 用于將整數(shù) 1 加載到操作數(shù)棧中； iconst_2 用于將整數(shù) 2 加載到操作數(shù)棧中； invokevirtual 用于調(diào)用對(duì)象的成員方法； pop 用于將棧頂?shù)闹党鰲＃?/section> return 為 void 方法的返回指令。
再來(lái)看一下 add() 方法的字節(jié)碼指令。
iload_1 用于將局部變量表中下標(biāo)為 1 的 int 類型變量加載到操作數(shù)棧上（下標(biāo)為 0 的是 this）； iload_2 用于將局部變量表中下標(biāo)為 2 的 int 類型變量加載到操作數(shù)棧上； iadd 用于 int 類型的加法運(yùn)算； ireturn 為返回值為 int 的方法返回指令。
操作數(shù)中的數(shù)據(jù)類型必須與字節(jié)碼指令匹配，以上面的 iadd 指令為例，該指令只能用于整形數(shù)據(jù)的加法運(yùn)算，它在執(zhí)行的時(shí)候，棧頂?shù)膬蓚€(gè)數(shù)據(jù)必須是 int 類型的，不能出現(xiàn)一個(gè) long 型和一個(gè) double 型的數(shù)據(jù)進(jìn)行 iadd 命令相加的情況。
3）動(dòng)態(tài)鏈接
每個(gè)棧幀都包含了一個(gè)指向運(yùn)行時(shí)常量池中該棧幀所屬方法的引用，持有這個(gè)引用是為了支持方法調(diào)用過(guò)程中的動(dòng)態(tài)鏈接（Dynamic Linking）。
來(lái)看下面這段代碼。
public class DynamicLinking {
static abstract class Human {
protected abstract void sayHello();
}
static class Man extends Human {
@Override
protected void sayHello() {
System.out.println("男人哭吧哭吧不是罪");
}
}
static class Woman extends Human {
@Override
protected void sayHello() {
System.out.println("山下的女人是老虎");
}
}
public static void main(String[] args) {
Human man = new Man();
Human woman = new Woman();
man.sayHello();
woman.sayHello();
man = new Woman();
man.sayHello();
}
}
大家對(duì) Java 重寫有了解的話，應(yīng)該能看懂這段代碼的意思。Man 類和 Woman 類繼承了 Human 類，并且重寫了 sayHello() 方法。來(lái)看一下運(yùn)行結(jié)果：
男人哭吧哭吧不是罪
山下的女人是老虎
山下的女人是老虎
這個(gè)運(yùn)行結(jié)果很好理解，man 的引用類型為 Human，但指向的是 Man 對(duì)象，woman 的引用類型也為 Human，但指向的是 Woman 對(duì)象；之后，man 又指向了新的 Woman 對(duì)象。
從面向?qū)ο缶幊痰慕嵌龋瑥亩鄳B(tài)的角度，我們對(duì)運(yùn)行結(jié)果是很好理解的，但站在 Java 虛擬機(jī)的角度，它是如何判斷 man 和 woman 該調(diào)用哪個(gè)方法的呢？
用 jclasslib 看一下 main 方法的字節(jié)碼指令。
第 1 行：new 指令創(chuàng)建了一個(gè) Man 對(duì)象，并將對(duì)象的內(nèi)存地址壓入棧中。 第 2 行：dup 指令將棧頂?shù)闹祻?fù)制一份并壓入棧頂。因?yàn)榻酉聛?lái)的指令 invokespecial 會(huì)消耗掉一個(gè)當(dāng)前類的引用，所以需要復(fù)制一份。 第 3 行：invokespecial 指令用于調(diào)用構(gòu)造方法進(jìn)行初始化。 第 4 行：astore_1，Java 虛擬機(jī)從棧頂彈出 Man 對(duì)象的引用，然后將其存入下標(biāo)為 1 局部變量 man 中。 第 5、6、7、8 行的指令和第 1、2、3、4 行類似，不同的是 Woman 對(duì)象。 第 9 行：aload_1 指令將第局部變量 man 壓入操作數(shù)棧中。 第 10 行：invokevirtual 指令調(diào)用對(duì)象的成員方法 sayHello()，注意此時(shí)的對(duì)象類型為com/itwanger/jvm/DynamicLinking$Human。第 11 行：aload_2 指令將第局部變量 woman 壓入操作數(shù)棧中。 第 12 行同第 10 行。
注意，從字節(jié)碼的角度來(lái)看，man.sayHello()（第 10 行）和 woman.sayHello()（第 12 行）的字節(jié)碼是完全相同的，但我們都知道，這兩句指令最終執(zhí)行的目標(biāo)方法并不相同。
究竟發(fā)生了什么呢？
還得從 invokevirtual 這個(gè)指令著手，看它是如何實(shí)現(xiàn)多態(tài)的。根據(jù)《Java 虛擬機(jī)規(guī)范》，invokevirtual 指令在運(yùn)行時(shí)的解析過(guò)程可以分為以下幾步：
①、找到操作數(shù)棧頂?shù)脑厮赶虻膶?duì)象的實(shí)際類型，記作 C。
②、如果在類型 C 中找到與常量池中的描述符匹配的方法，則進(jìn)行訪問(wèn)權(quán)限校驗(yàn)，如果通過(guò)則返回這個(gè)方法的直接引用，查找結(jié)束；否則返回
java.lang.IllegalAccessError異常。③、否則，按照繼承關(guān)系從下往上一次對(duì) C 的各個(gè)父類進(jìn)行第二步的搜索和驗(yàn)證。
④、如果始終沒(méi)有找到合適的方法，則拋出
java.lang.AbstractMethodError異常。
也就是說(shuō)，invokevirtual 指令在第一步的時(shí)候就確定了運(yùn)行時(shí)的實(shí)際類型，所以兩次調(diào)用中的 invokevirtual 指令并不是把常量池中方法的符號(hào)引用解析到直接引用上就結(jié)束了，還會(huì)根據(jù)方法接受者的實(shí)際類型來(lái)選擇方法版本，這個(gè)過(guò)程就是 Java 重寫的本質(zhì)。我們把這種在運(yùn)行期根據(jù)實(shí)際類型確定方法執(zhí)行版本的過(guò)程稱為動(dòng)態(tài)鏈接。
4）方法返回地址
當(dāng)一個(gè)方法開始執(zhí)行后，只有兩種方式可以退出這個(gè)方法：
正常退出，可能會(huì)有返回值傳遞給上層的方法調(diào)用者，方法是否有返回值以及返回值的類型根據(jù)方法返回的指令來(lái)決定，像之前提到的 ireturn 用于返回 int 類型，return 用于 void 方法；還有其他的一些，lreturn 用于 long 型，freturn 用于 float，dreturn 用于 double，areturn 用于引用類型。
異常退出，方法在執(zhí)行的過(guò)程中遇到了異常，并且沒(méi)有得到妥善的處理，這種情況下，是不會(huì)給它的上層調(diào)用者返回任何值的。
無(wú)論是哪種方式退出，在方法退出后，都必須返回到方法最初被調(diào)用時(shí)的位置，程序才能繼續(xù)執(zhí)行。一般來(lái)說(shuō)，方法正常退出的時(shí)候，PC 計(jì)數(shù)器的值會(huì)作為返回地址，棧幀中很可能會(huì)保存這個(gè)計(jì)數(shù)器的值，異常退出時(shí)則不會(huì)。
方法退出的過(guò)程實(shí)際上等同于把當(dāng)前棧幀出棧，因此接下來(lái)可能執(zhí)行的操作有：恢復(fù)上層方法的局部變量表和操作數(shù)棧，把返回值（如果有的話）壓入調(diào)用者棧幀的操作數(shù)棧中，調(diào)整 PC 計(jì)數(shù)器的值，找到下一條要執(zhí)行的指令等。
以上部分內(nèi)容參考自周志明老師的《深入理解 Java 虛擬機(jī)》，以及好朋友張亞的《深入理解 JVM 字節(jié)碼》。強(qiáng)烈推薦一下這兩本書。
初學(xué)者一開始學(xué)習(xí) Java 虛擬機(jī)的時(shí)候可能會(huì)感到很枯燥，很難懂，但有了一定的經(jīng)驗(yàn)積累后，再來(lái)學(xué)習(xí)這塊知識(shí)就會(huì)有一種開竅了的感覺(jué)。當(dāng)然了，Java 虛擬機(jī)這塊的知識(shí)點(diǎn)是必學(xué)的，因?yàn)樾阅軆?yōu)化、找工作面試，甚至說(shuō)提高編程功底都是很亟需的。
四書之一《大學(xué)》中，開篇就提到了一個(gè)概念，叫做“格物致知”，意思就是通過(guò)研究事物背后的原理來(lái)獲取知識(shí)，深入 Java 虛擬機(jī)、字節(jié)碼等背后深層次的結(jié)構(gòu)和原理來(lái)剖析 Java，能讓我們變得更自信，全身彌漫出一種“技術(shù)高手”的光芒~
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