攜程面試官竟然問我 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。但有一說一，確實(shí)有讀者在上一篇文章里留言說，攜程面試官問他了 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。這么說吧，面試官確實(shí)喜歡問 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這些概念，并做了一些簡(jiǎn)單扼要的介紹，但我覺得還不夠詳細(xì)，所以這篇重點(diǎn)要來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，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的局部變量取代了。
來看下面這段代碼。
- 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 int，當(dāng)然了，《Java 虛擬機(jī)規(guī)范》中沒有明確指出一個(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 「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?
- return 為 void 方法的返回指令。
再來看一下 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)用過程中的動(dòng)態(tài)鏈接(Dynamic Linking)。
來看下面這段代碼。
- 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)榻酉聛淼闹噶?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)行訪問權(quán)限校驗(yàn)，如果通過則返回這個(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、如果始終沒有找到合適的方法，則拋出 java.lang.AbstractMethodError 異常。
也就是說，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)際類型來選擇方法版本，這個(gè)過程就是 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)行的過程中遇到了異常，并且沒有得到妥善的處理，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。一般來說，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)。
方法退出的過程實(shí)際上等同于把當(dāng)前棧幀出棧，因此接下來可能執(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。
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