JVM（11）——运行时栈帧结构

1. 概述

“虚拟机”是一个相对于“物理机”的概念，这两种机器都有代码执行能力，其区别是物理机的执行引擎是直接建立在处理器、硬件、指令集和操作系统层面上的，而虚拟机的执行引擎则是由自己实现的，因此可以自行制定指令集与执行引擎的结构体系，并且能够执行那些不被硬件直接支持的指令集格式。

在不同的虚拟机实现里面，执行引擎在执行Java代码的时候可能有解释执行和编译执行两种选择，也可能两者兼备，甚至还可能包含几个不同级别的编译器执行引擎。

2. 运行时栈帧结构

栈帧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。栈帧存储了方法的局部变量表、操作数栈、动态连接和方法返回地址等信息。每一个方法从调用开始到执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈里面从入栈道出栈的过程。

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，并且写入到方法的code属性之中，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

局部变量表是一组变量值存储空间，用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量。在Java程序被编译为Class文件时，就在方法的Code属性的max_locals数据项中确定了该方法所需要分配的最大局部变量表的容量。

局部变量表的变量以变量槽（Slot）为最小单位，虚拟机规范中并没有明确指明一个Slot应占用的内存空间大小。

虚拟机通过索引定位的方式使用局部变量表，索引值的范围是从0开始到局部变量表最大的Slot数量。在方法执行时，虚拟机是使用局部变量表完成参数值到参数变量列表的传递过程的，如果是实例方法（非static方法），那么局部变量表中第0位索引的Slot默认是用于传递方法所属对象实例的引用，在方法中可以通过关键字“this”来访问这个隐含的参数。其余参数则按照参数表的顺序来排列，占用从1开始的局部变量Slot，参数表分配完毕后，再根据方法体内部定义的变量顺序和作用域分配其余的Slot。

局部变量表中的Slot是可重用的，方法体中定义的变量，其作用于并不一定会覆盖整个方法体，如果当前字节码PC计数器的值已经超出了某个变量的作用域，那么这个变量对应的Slot就可以交给其他变量使用。

对于64位的数据类型，虚拟机会以高位在前的方式为其分配两个连续的Slot空间。

（2）操作数栈

操作数栈也常被称为操作栈，它是一个后入先出栈。同局部变量表一样，操作数栈的最大深度也是在编译的时候被写入到Code属性的max_stacks数据项中。32位数据类型所占的栈容量位1，64位数据类型所占的栈容量位2.

当一个方法刚刚开始执行的时候，这个方法的操作数栈是空的，在方法的执行过程中，会有各种字节码指令向操作数栈中写入和提取内容，也就是入栈出栈操作。举个例子：整数加法字节码指令iadd在运行的时候要求操作数栈中最接近栈顶的两个元素已经存入了两个int类型的数值，当执行这个指令时，会将这两个int值出栈并相加，然后将相加的结果入栈。

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，在编译程序代码的时候，编译器要严格保证这一点，在类校验阶段的数据流分析中还要再次验证这一点。

（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持方法调用过程中的动态连接。

（4）方法返回地址

当一个方法被执行后，有两种方式退出这个方法。第一种方式是：执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令，这时候可能会有返回值传递给上层的方法调用者（调用当前方法的方法称为调用者），是否有返回值和返回值类型将根据遇到各种方法返回指令来决定，这种退出方法的方式称为正常完成出口。

另一种退出方式是，在方法执行过程中遇到了异常，并且这个异常没有在方法体内得到处理，无论是Java虚拟机内部产生的异常，还是代码中使用athrow字节码指令产生的异常，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，这种退出方法的方式称为异常完成出口。

无论采用何种退出方式，在方法退出后，都需要返回到方法被调用的位置，程序才能继续执行，方法返回时可能需要在栈帧中保存一些信息，用来帮助恢复它的上层方法的执行状态。一般来说，方法正常退出时，调用者的PC计数器的值就可以作为返回地址，栈帧中很可能会保存这个计数器值。而方法异常退出时，返回地址是要通过异常处理器表来确定，栈帧中一般不会保存这部分信息。

方法退出的过程实际上等同于把当前栈帧出栈，因此退出时可能执行的操作有：回复上层方法的局部变量表和操作数栈，把返回值（如果有的话）压入调用者栈帧的操作数栈中，调整PC计数器的值以指向方法调用指令后面的一条指令等。