熟悉 Java 的同學(xué)應(yīng)該都知道了，JVM 是基于棧的。但是這個(gè)“棧” 具體指的是什么?難道就是虛擬機(jī)棧?想要回答這個(gè)問題我們先要從虛擬機(jī)棧的結(jié)構(gòu)談起。

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虛擬機(jī)棧

何為虛擬機(jī)棧

虛擬機(jī)棧的棧元素是棧幀，當(dāng)有一個(gè)方法被調(diào)用時(shí)，代表這個(gè)方法的棧幀入棧;當(dāng)這個(gè)方法返回時(shí)，其棧幀出棧。因此，虛擬機(jī)棧中棧幀的入棧順序就是方法調(diào)用順序。什么是棧幀呢?棧幀可以理解為一個(gè)方法的運(yùn)行空間。它主要由兩部分構(gòu)成，一部分是局部變量表，方法中定義的局部變量以及方法的參數(shù)就存放在這張表中;另一部分是操作數(shù)棧，用來存放操作數(shù)。我們知道，Java 程序編譯之后就變成了一條條字節(jié)碼指令，其形式類似匯編，但和匯編有不同之處：匯編指令的操作數(shù)存放在數(shù)據(jù)段和寄存器中，可通過存儲(chǔ)器或寄存器尋址找到需要的操作數(shù);而 Java 字節(jié)碼指令的操作數(shù)存放在操作數(shù)棧中，當(dāng)執(zhí)行某條帶 n 個(gè)操作數(shù)的指令時(shí)，就從棧頂取 n 個(gè)操作數(shù)，然后把指令的計(jì)算結(jié)果(如果有的話)入棧。因此，當(dāng)我們說 JVM 執(zhí)行引擎是基于棧的時(shí)候，其中的“棧”指的就是操作數(shù)棧。舉個(gè)簡單的例子對(duì)比下匯編指令和 Java 字節(jié)碼指令的執(zhí)行過程，比如計(jì)算 1 + 2，在匯編指令是這樣的：

mov ax, 1 ;把 1 放入寄存器 ax 
add ax, 2 ;用 ax 的內(nèi)容和 2 相加后存入 ax 

而 JVM 的字節(jié)碼指令是這樣的：

iconst_1 //把整數(shù) 1 壓入操作數(shù)棧 
iconst_2 //把整數(shù) 2 壓入操作數(shù)棧 
iadd //棧頂?shù)膬蓚€(gè)數(shù)相加后出棧，結(jié)果入棧 

由于操作數(shù)棧是內(nèi)存空間，所以字節(jié)碼指令不必?fù)?dān)心不同機(jī)器上寄存器以及機(jī)器指令的差別，從而做到了平臺(tái)無關(guān)。

注意，局部變量表中的變量不可直接使用，如需使用必須通過相關(guān)指令將其加載至操作數(shù)棧中作為操作數(shù)使用。比如有一個(gè)方法 void foo()，其中的代碼為：int a = 1 + 2; int b = a + 3;，編譯為字節(jié)碼指令就是這樣的：

iconst_1 //把整數(shù) 1 壓入操作數(shù)棧 
iconst_2 //把整數(shù) 2 壓入操作數(shù)棧 
iadd //棧頂?shù)膬蓚€(gè)數(shù)出棧后相加，結(jié)果入棧；實(shí)際上前三步會(huì)被編譯器優(yōu)化為：iconst_3 
istore_1 //把棧頂?shù)膬?nèi)容放入局部變量表中索引為 1 的 slot 中，也就是 a 對(duì)應(yīng)的空間中 
iload_1 // 把局部變量表索引為 1 的 slot 中存放的變量值（3）加載至操作數(shù)棧 
iconst_3  
iadd //棧頂?shù)膬蓚€(gè)數(shù)出棧后相加，結(jié)果入棧 
istore_2 // 把棧頂?shù)膬?nèi)容放入局部變量表中索引為 2 的 slot 中，也就是 b 對(duì)應(yīng)的空間中 
return // 方法返回指令，回到調(diào)用點(diǎn) 

需要說明的是，局部變量表以及操作數(shù)棧的容量的最大值在編譯時(shí)就已經(jīng)確定了，運(yùn)行時(shí)不會(huì)改變。并且局部變量表的空間是可以復(fù)用的，例如，當(dāng)指令的位置超出了局部變量表中某個(gè)變量 a 的作用域時(shí)，如果有新的局部變量 b 要被定義，b 就會(huì)覆蓋 a 在局部變量表的空間。

盜用別人的圖以讓大家對(duì)虛擬機(jī)棧有個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)(其中小字體 Stack 指的的是虛擬機(jī)棧，F(xiàn)rame 是棧幀，Local variables 是局部變量表，Operand Stack 是操作數(shù)棧)：

由虛擬機(jī)棧引出的問題

看完上面的代碼大家可能會(huì)有幾點(diǎn)疑惑：什么是 slot?那些指令是什么意思?為什么 a 對(duì)應(yīng)的 slot 的索引值不是從零開始的，它明明是第一個(gè)定義的變量啊?

對(duì)于這些問題我們一個(gè)個(gè)來解決。

什么是 slot

首先什么是 slot?slot 是局部變量表中的空間單位，虛擬機(jī)規(guī)范中有規(guī)定，對(duì)于 32 位之內(nèi)的數(shù)據(jù)，用一個(gè) slot 來存放，如 int，short，float 等;對(duì)于 64 位的數(shù)據(jù)用連續(xù)的兩個(gè) slot 來存放，如 long，double 等。引用類型的變量 JVM 并沒有規(guī)定其長度，它可能是 32 位，也有可能是 64 位的，所以既有可能占一個(gè) slot，也有可能占兩個(gè) slot。

JVM 字節(jié)碼指令

第二個(gè)問題，那些指令是什么意思?

指令格式

首先我們要理解 Java 指令的格式，Java 的指令以字節(jié)為單位，也就是一個(gè)字節(jié)代表一條指令。比如 iconst_1 就是一條指令，它占一個(gè)字節(jié)，那么自然 Java 指令不會(huì)超過 256 條。實(shí)際上 Java 指令目前定義了 200 多條。指令雖然是一個(gè)字節(jié)，但是它也可以帶自己的操作數(shù)。JVM 中有這樣一條指令 putstatic，其作用是給特定的的靜態(tài)字段賦值。但是給哪個(gè)字段賦值呢?僅僅通過這條指令并不能說明，那么只有通過操作數(shù)來指定了。緊跟在 putstatic 后面的兩個(gè)字節(jié)就是它的操作數(shù)，這個(gè)操作數(shù)是一個(gè)索引值，指向運(yùn)行時(shí)常量池中該靜態(tài)字段對(duì)應(yīng)的符號(hào)引用。由于符號(hào)引用包含了該字段的基本信息，如所屬類、簡單名稱以及描述符，因此 putstatic 指令就知道是給哪個(gè)類的哪個(gè)字段賦值了。

指令的操作數(shù)分兩種：一種是嵌入在指令中的，通常是指令字節(jié)后面的若干個(gè)字節(jié);另一種是存放在操作數(shù)棧中的。為了區(qū)別，我們把前者叫做嵌入式操作數(shù)，把后者叫做棧內(nèi)操作數(shù)。這兩者的區(qū)別是：嵌入式操作數(shù)是在編譯時(shí)就已經(jīng)確定的，運(yùn)行時(shí)不會(huì)改變，它和指令一樣存放于類文件方法表的 Code 屬性中;而操作數(shù)是運(yùn)行時(shí)確定的，即程序在執(zhí)行過程中動(dòng)態(tài)生成的。拿 putstatic 指令來說，它有一個(gè)嵌入式操作數(shù)，該操作數(shù)是一個(gè)索引值(前面已經(jīng)提到)，它由兩個(gè)字節(jié)組成，緊跟在 putstatic 對(duì)應(yīng)的字節(jié)之后;同時(shí)它還有一個(gè)棧內(nèi)操作數(shù)，位于操作數(shù)棧的棧頂，這個(gè)操作數(shù)就是要賦給靜態(tài)字段的值，其對(duì)應(yīng)的字節(jié)數(shù)根據(jù)靜態(tài)字段的類型決定。如果靜態(tài)字段的類型是 short、int、boolean、char 或者 byte，那么這個(gè)操作數(shù)就必須是 int 類型，即由棧頂?shù)?4 個(gè)字節(jié)組成;如果是 float、double 或者 long 類型，那么操作數(shù)就是相應(yīng)的類型，即由棧頂?shù)?4 個(gè)、8 個(gè) 或者 8 個(gè) 字節(jié)組成;如果靜態(tài)字段是引用類型，那么這個(gè)操作數(shù)的類型也必須是引用類型，即由棧頂?shù)?8 個(gè)字節(jié)組成。

再舉一個(gè)例子。iconst_ 代表了一個(gè)指令族，它的意思是把整數(shù) i 放入操作數(shù)棧中，i 的范圍是(m1, 0, 1, 2, 3, 4, 5)，其中 m1 代表的是 -1。注意，這里的 i 并不是指令的操作數(shù)(即非嵌入式操作數(shù)，也非棧內(nèi)操作數(shù))，如 iconst_1、iconst_2 和 iconst_3 都是由一個(gè)字節(jié)組成的字節(jié)碼指令。我們可以把 i 可以看作是指令的 “隱含操作數(shù)”，即指令本身就蘊(yùn)含了操作數(shù)。如果整數(shù) i 超過 [-1, 5] 這個(gè)范圍，就不能用 iconst_ 表示了，因?yàn)閮H一個(gè)字節(jié)的字節(jié)碼指令不可能蘊(yùn)含所有的整數(shù)。此時(shí)就需要 bipush 這條指令了，這條指令有一個(gè)嵌入式操作數(shù)，由一個(gè)字節(jié)組成，用來表示要放入棧頂?shù)哪莻€(gè)整數(shù)，該整數(shù)放入棧頂時(shí)通過擴(kuò)展符號(hào)位變?yōu)?32 位的整型。但是一個(gè)字節(jié)也表示不了所有的整數(shù)，如果整數(shù)值超過一個(gè)字節(jié)所能表示的范圍，就只能通過 ldc 這條指令了，這條指令帶有一個(gè)字節(jié)的嵌入式操作數(shù)，它代表的是一個(gè)指向運(yùn)行時(shí)常量池中 Constant_Integer_info 類型常量的索引，通過索引的方式引用運(yùn)行時(shí)常量池中的整數(shù)，再大的整數(shù)也不怕了。

閱讀指令文檔

授之以魚不如授之以漁，在這里不可能將所有的指令都講解一番，因此我和大家分享一下如何閱讀 oracle 官網(wǎng)關(guān)于字節(jié)碼指令的文檔吧。文檔的地址是：

https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-6.html

我們拿 astore 指令來說： 關(guān)于它的文檔描述如下：

astore 指令

說明和翻譯：

• 第一行的粗體字是指令的名稱;
• Operation 是指令的功能：把引用存入本地變量中;
• Format 是指令的格式：它的第一個(gè)字節(jié)是指令，名稱為 astore，第二個(gè)字節(jié)是指令的嵌入式操作數(shù)，名稱為 index;Forms 指的是指令的十進(jìn)制(十六進(jìn)制)碼，astore 的十進(jìn)制(十六進(jìn)制)碼是 58(0x3a);
• Operation Stack 是指令執(zhí)行前后的操作數(shù)棧的狀態(tài)：第一行代表的是指令執(zhí)行前操作數(shù)的狀態(tài)，第二行是指令執(zhí)行后操作數(shù)棧的狀態(tài)，箭頭是棧頂方向。astore 執(zhí)行前棧頂是對(duì)象引用 objectRef，它是 astore 的棧內(nèi)操作數(shù)，執(zhí)行后 objectRef 被彈出并存入局部變量表中;
• Description 是對(duì)這條指令的描述：index 是無符號(hào)字節(jié)，這個(gè) index 必須指向當(dāng)前棧幀的局部變量表的某個(gè)位置。操作數(shù)棧的棧頂?shù)哪莻€(gè)引用值必須是 returnAddress(方法返回地址)或者是 reference (對(duì)象引用)。這個(gè)引用會(huì)被彈出，其值會(huì)被存入局部變量表中索引為 index 的 slot 中;
• Notes 是注意事項(xiàng)：實(shí)現(xiàn) Java 中的 finally 子句時(shí)，astore 指令使用的操作數(shù)類型是一個(gè) returnAddress，與 astore 對(duì)應(yīng)的 aload 指令(將局部變量表的的引用值壓棧)不能將類型為 returnAddress 類型的值加載到操作數(shù)棧，而只能是 reference 類型。aload 和 astore 這種不對(duì)稱的設(shè)計(jì)是有意而為之的。astore 指令可以和 wide 指令配合使用以用無符號(hào)雙字節(jié)類型的索引來獲取局部變量表中的變量。

局部變量表的第一個(gè)變量

從 Java 語言的層面講，靜態(tài)方法和實(shí)例方法的本質(zhì)區(qū)別在于是否是對(duì)象所共享的。而從 JVM 的角度來看，方法(無論靜態(tài)方法還是實(shí)例方法)其實(shí)都是對(duì)象共享的，實(shí)例變量才是對(duì)象私有的。對(duì) JVM 而言，靜態(tài)方法和實(shí)例方法的本質(zhì)區(qū)別在于是否需要和具體對(duì)象關(guān)聯(lián)：靜態(tài)方法可以通過類名來調(diào)用，它不需要和具體對(duì)象關(guān)聯(lián);而實(shí)例方法必須通過對(duì)象來進(jìn)行調(diào)用，它需要和具體對(duì)象關(guān)聯(lián)。那么，實(shí)例方法和具體對(duì)象是如何產(chǎn)生關(guān)聯(lián)的呢?其實(shí)很簡單，編譯器在編譯時(shí)會(huì)將方法接收者作為一個(gè)隱含參數(shù)傳入該實(shí)例方法，這個(gè)參數(shù)在方法中有一個(gè)很熟悉的名字，叫做 “this”。之所以實(shí)例方法可以訪問該類的實(shí)例變量和其它實(shí)例方法，正是因?yàn)樗?“this” 這個(gè)隱含參數(shù)。舉個(gè)例子，類 A 中的某個(gè)方法 b 需要訪問實(shí)例變量 x，由于實(shí)例變量是對(duì)象私有的，如果 b 是靜態(tài)方法，由于它沒有具體對(duì)象的引用，它并不知道該訪問哪個(gè)對(duì)象的實(shí)例變量 x;如果 b 是實(shí)例方法，通過隱含參數(shù) this 就能確定要訪問的實(shí)例變量是 this.x。那么，為什么靜態(tài)方法也不能調(diào)用該類的實(shí)例方法呢?本質(zhì)原因也是沒有 this 引用。因?yàn)檎{(diào)用實(shí)例方法的前提是要傳入一個(gè)隱含參數(shù)，實(shí)例方法本來就有這個(gè)引用，所以能夠把它作為隱含參數(shù)傳入另一個(gè)實(shí)例方法;靜態(tài)方法沒有 this 引用，無法給實(shí)例方法提供指向方法接收者的隱含參數(shù)，因此不能調(diào)用實(shí)例方法。

如果看懂了上面說的那些，第三個(gè)問題也就迎刃而解了。因?yàn)槲覀兌x的方法是 void foo()，它是實(shí)例方法，因此會(huì)有一個(gè)指向具體對(duì)象的隱含參數(shù) this，this 就存放在局部變量表的第一個(gè)位置，即存放在索引為 0 的 slot 中，又由于它的作用域從方法開始一直到方法結(jié)束，因此它在局部變量表中的位置不會(huì)被其他變量覆蓋，從而使得我們?cè)诜椒ㄖ卸x的變量只能放在局部變量表后面的位置中。需要注意的是，如果方法有參數(shù)(非隱含參數(shù))，那么參數(shù)會(huì)按順序緊接著 this 存放在局部變量表中，由于參數(shù)作用域也是整個(gè)方法體，所以方法中定義的局部變量就只能放在參數(shù)后面了。總的來說局部變量表中變量的存放順序?yàn)椋? this(如果是實(shí)例方法)=> 參數(shù)(如果有的話)=> 定義的局部變量(如果有的話)。

關(guān)于虛擬機(jī)棧就講這么多了，Java 虛擬機(jī)是一個(gè)完整的知識(shí)體系，僅僅了解虛擬機(jī)棧是不夠的，這里沒有細(xì)講的關(guān)于虛擬機(jī)的其它知識(shí)，如內(nèi)存模型、運(yùn)行時(shí)常量池、類加載模型等，還需讀者自己學(xué)習(xí)掌握。這篇文章權(quán)起激發(fā)大家的學(xué)習(xí) JVM 興趣的作用，同時(shí)也作為個(gè)人的學(xué)習(xí)記錄和知識(shí)總結(jié)。之后可能還會(huì)寫些 JVM 其它方面的總結(jié)性文章和大家分享。

參考書籍 :

《深入理解 Java 虛擬機(jī)》周志明 著

Java 虛擬機(jī)規(guī)范