什么是棧幀？

正如大家所了解的，Java虛擬機(jī)的內(nèi)存區(qū)域被劃分為程序計數(shù)器、虛擬機(jī)棧、本地方法棧、堆和方法區(qū)。（什么？你還不知道，趕緊去看看《Java虛擬機(jī)內(nèi)存結(jié)構(gòu)及編碼實戰(zhàn)》）這次要介紹的棧幀（Stack Frame），就是Java虛擬機(jī)中的虛擬機(jī)棧（Virtual Machine Stack）的基本元素，它也是用于支持Java虛擬機(jī)進(jìn)行方法調(diào)用和方法執(zhí)行背后的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，了解了它就可以更好地理解Java虛擬機(jī)執(zhí)行引擎是如何運行的。

每一個方法從調(diào)用開始至執(zhí)行結(jié)束的整個過程，都對應(yīng)著一個棧幀在虛擬機(jī)棧中從入棧到出棧的過程。棧幀存儲了方法的局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)連接和方法返回地址等信息，在同一時刻、同一條線程中，只有位于棧頂?shù)姆椒ú攀窃谶\行的，只有位于棧頂?shù)臈攀巧У?#xff0c;執(zhí)行引擎所運行的所有字節(jié)碼指令都只針對當(dāng)前棧幀進(jìn)行操作。虛擬機(jī)棧和棧幀的總體結(jié)構(gòu)如下圖：

接下來，再分別介紹一下棧幀中的局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)連接、方法返回地址等各個部分的作用和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

局部變量表（Local Variables Table）

局部變量表是用來存儲一組變量值的內(nèi)存空間，用于存放方法參數(shù)和方法內(nèi)部定義的局部變量。在已經(jīng)編譯好的Class文件中，方法的Code屬性的max_locals數(shù)據(jù)項中，就確定了該方法所需分配的局部變量表的最大容量。

局部變量表的容量以變量槽（Variable Slot）為最小單位，每個變量槽存放一個32位數(shù)據(jù)類型，如boolean、byte、char、short、int、float和reference這幾種類型。前6種類型同學(xué)們應(yīng)該都了解，就不必多介紹了，reference類型表示對一個對象實例的引用，通過這個引用做到兩件事情：根據(jù)引用直接或間接地查找到實例在Java堆中的數(shù)據(jù)存放的起始地或索引；根據(jù)引用直接或間接地查找到在方法區(qū)中的存儲的類信息。對于64位數(shù)據(jù)類型，如long和double這兩種類型，是以高位對齊的方式為其分配兩個連續(xù)的變量槽空間。

使用局部變量表時，通過索引定位對應(yīng)數(shù)據(jù)的位置，索引值的范圍是從0開始至局部變量表最大的變量槽數(shù)量。如果訪問的是32位數(shù)據(jù)類型的變量，索引N就代表了使用第N個變量槽，如果訪問的是64位數(shù)據(jù)類型的變量，則說明會同時使用第N和N+1兩個變量槽。對于兩個相鄰的共同存放一個64位數(shù)據(jù)的兩個變量槽，虛擬機(jī)不允許采用任何方式單獨訪問其中的某一個，如果遇到進(jìn)行這種操作的字節(jié)碼，Java虛擬機(jī)就會在類加載的校驗階段中拋出異常。

當(dāng)一個方法被調(diào)用時，會使用局部變量表來完成參數(shù)值到參數(shù)變量列表的傳遞過程。如果執(zhí)行的是對象實例的成員方法（沒有被static修飾的方法），那么局部變量表中第0位索引的變量槽默認(rèn)就是該對象實例的引用，在方法中可以通過關(guān)鍵字this來訪問到這個隱含的參數(shù)。其余參數(shù)則按照參數(shù)表順序排列，參數(shù)表分配完畢后，再根據(jù)方法體內(nèi)部定義的局部變量順序和作用域分配其余的變量槽。為了盡可能節(jié)省棧幀所耗的內(nèi)存空間，局部變量表中的變量槽是可以重用的，當(dāng)方法體中定義的局部變量超出其作用域時，該局部變量對應(yīng)的變量槽就可以交給其他變量來重用。

之前的《JVM的類加載機(jī)制詳解》中介紹過，在類加載過程中，類變量有兩次賦初始值的過程，一次在準(zhǔn)備階段，賦予系統(tǒng)初始值；另外一次在初始化階段，賦予代碼中定義的初始值。因此即使沒有為類變量賦值也沒有關(guān)系，類變量仍然具有一個確定的初始值，不會產(chǎn)生歧義。但是局部變量不像類變量有那樣的“準(zhǔn)備階段”，如果一個局部變量定義了但沒有賦初始值，那它是完全不能使用的。所以不要認(rèn)為Java中任何情況下都存在諸如整型變量默認(rèn)為0、布爾型變量默認(rèn)為false等這樣的默認(rèn)值規(guī)則。比如：

public class OneMoreStudy {public static void main(String[] args) {int i;System.out.println(i);}
}

因為局部變量i沒有初始，在編譯過程就會報錯：

Error:(4, 28) java: 可能尚未初始化變量i

操作數(shù)棧（Operand Stack）

操作數(shù)棧是一個后入先出（Last In First Out，LIFO）棧。和局部變量表一樣，在已經(jīng)編譯好的Class文件中，方法的Code屬性的max_stacks數(shù)據(jù)項中，就確定了該方法所需分配的操作數(shù)棧的最大深度。在方法執(zhí)行的任何時候，操作數(shù)棧的深度都不會超過在max_stacks數(shù)據(jù)項中設(shè)定的最大值。操作數(shù)棧的每一個元素都可以是包括long和double在內(nèi)的任意Java數(shù)據(jù)類型。32位數(shù)據(jù)類型所占的棧容量為1，64位數(shù)據(jù)類型所占的棧容量為2。

當(dāng)一個方法剛剛開始執(zhí)行的時候，該方法的操作數(shù)棧是空的，在該方法的執(zhí)行過程中，會有各種字節(jié)碼指令對操作數(shù)棧進(jìn)行出棧和入棧的操作。比如，整數(shù)加法的字節(jié)碼指令iadd，在該指令執(zhí)行前必須保證操作數(shù)棧中最接近棧頂?shù)膬蓚€元素已經(jīng)存入了兩個int型的數(shù)值，當(dāng)該指令執(zhí)行時，會把這兩個int值出棧并相加，然后將相加的結(jié)果重新入棧。

操作數(shù)棧中元素的數(shù)據(jù)類型必須與字節(jié)碼指令的序列嚴(yán)格匹配，在編譯代碼時，編譯器會嚴(yán)格保證這一點，在類加載的校驗階段也會再次驗證這一點。在上面的iadd指令中，只能用于整型數(shù)的加法，它在執(zhí)行時，最接近棧頂?shù)膬蓚€元素的數(shù)據(jù)類型必須為int型，不能出現(xiàn)其他數(shù)據(jù)類型使用iadd命令相加的情況。

一個方法調(diào)用另外一個方法時，可以通過操作數(shù)棧來進(jìn)行方法參數(shù)的傳遞。雖然在Java虛擬機(jī)規(guī)范中，兩個不同棧幀作為不同方法的虛擬機(jī)棧的元素，是完全相互獨立的。但是在大多Java虛擬機(jī)的實現(xiàn)時，都會進(jìn)行一些優(yōu)化：兩個不同方法的棧幀出現(xiàn)一部分重疊。讓下面棧幀的部分操作數(shù)棧與上面棧幀的部分局部變量表重疊在一起，這樣做不僅節(jié)約了一些內(nèi)存空間，更重要的是在進(jìn)行方法調(diào)用時就可以直接共用一部分?jǐn)?shù)據(jù)，不需要進(jìn)行額外的參數(shù)復(fù)制和傳遞，如下圖：

動態(tài)連接（Dynamic Linking）

每個棧幀都包含一個指向運行時常量池中該棧幀所屬方法的引用，持有這個引用是為了支持方法調(diào)用過程中的動態(tài)連接。

之前的《Class文件結(jié)構(gòu)全面解析》中介紹過，Class文件的常量池中存有大量的符號引用，這些符號引用一部分會在類加載階段或者第一次使用的時候就被轉(zhuǎn)化為直接引用（實際運行時內(nèi)存布局中的入口地址），這種轉(zhuǎn)化被稱為靜態(tài)解析。另外一部分將在每一次運行期間都轉(zhuǎn)化為直接引用，這部分就稱為動態(tài)連接。關(guān)于這兩個轉(zhuǎn)化過程的具體過程，這里先賣個關(guān)子，后續(xù)的文章會詳細(xì)介紹。

方法返回地址

方法返回時可能需要在棧幀中保存一些信息，用來于恢復(fù)調(diào)用者（調(diào)用當(dāng)前方法的方法）的執(zhí)行狀態(tài)。一般來說，方法正常退出時，調(diào)用者的程序計數(shù)器的值就可以作為返回地址，棧幀中很可能會保存這個計數(shù)器值。而方法異常退出時，返回地址是要通過異常處理器表來確定的，棧幀中就一般不會保存這部分信息。

方法返回的過程實際上等同于把當(dāng)前棧幀出棧，可能執(zhí)行的操作有：恢復(fù)調(diào)用者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)整程序計數(shù)器的值使其指向方法調(diào)用指令后面的一條指令等等。

附加信息

在Java虛擬機(jī)規(guī)范中，允許Java虛擬機(jī)增加一些規(guī)范里沒有描述的信息到棧幀之中，比如：調(diào)試、性能收集相關(guān)的信息，這部分信息完全取決于具體的虛擬機(jī)實現(xiàn)。一般會把動態(tài)連接、方法返回地址和其他附加信息全部歸為一類，稱為棧幀信息。

總結(jié)

棧幀是Java虛擬機(jī)中的虛擬機(jī)棧的基本元素，每一個方法從調(diào)用開始至執(zhí)行結(jié)束的整個過程，都對應(yīng)著一個棧幀在虛擬機(jī)棧中從入棧到出棧的過程。棧幀存儲了方法的局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)連接和方法返回地址和其他附加信息。局部變量表用于存放方法參數(shù)和方法內(nèi)部定義的局部變量；各種字節(jié)碼指令執(zhí)行時，會對操作數(shù)棧進(jìn)行出棧和入棧的操作；動態(tài)連接是指向運行時常量池中該棧幀所屬方法的引用；方法返回地址用于恢復(fù)調(diào)用當(dāng)前方法的方法的執(zhí)行狀態(tài)。

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總結(jié)

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