jvm学习笔记：栈帧

栈帧内的数据结构

• 局部变量表（Local Variables）：记录非静态方法的this指针、方法参数、局部变量

• 操作数栈（Operand Stack）：用于计算的栈结构

• 动态链接（Dynamic Link）：指向运行时常量池的方法引用

• 方法返回地址（Return Address）：方法正常退出或异常退出的定义，以及方法间返回值传递（注意： java中的方法除了正常返回还可能因为异常退出，所以方法返回地址不一定就是方法退出的地址）

• 附加信息

局部变量表

Each frame contains an array of variables known as its local variables. The length of the local variable array of a frame is determined at compile-time and supplied in the binary representation of a class or interface along with the code for the method associated with the frame

主要存储方法的参数、方法内的局部变量，数据类型包括基本数据类型、对象引用（数值地址）、返回地址。局部变量表具有以下特点：

• 局部变量表数组的容量大小在编译时期确定，后面不会变化
• 局部变量表是每个线程私有的，不存在线程安全问题

非静态方法的局部变量表

• 构造方法、实例方法会自带一个this引用变量
• static方法不能使用this的原因：静态方法的局部变量表中不带有this的引用

变量槽（Slot）

局部变量表中最基本的存储单元，每个槽大小32位

• 局部变量表是index0开始的数组，数组的每个元素我们称为变量槽
• 局部变量表中，32位以内类型占一个槽（int），64位占两个槽（long、double），引用类型占用一个槽
• 调用占有两个槽的变量使用起始索引

slot重复利用

• 栈帧中局部变量表的槽位是可以复用的，如果某个局部变量的作用域已经结束了，那么在它后面声明的局部变量可以使用它的槽位

• 这样的设计使局部变量表的空间利用率更高，不会造成空位的情况。

  重复利用的例子：

  public void test1(){
  	int a = 0;
  	{
  		int b = 0;
  		b = a + 1;
  	}
  	int c = 1;
  }
  

上面代码的局部变量表如图，可见b和c的槽位都是index=2，也就是说b的作用域结束后，c会重复使用b的槽位。

局部变量表与垃圾回收

• 局部变量表中的变量是重要的垃圾回收节点，只有被局部变量表中直接或者间接引用的对象才不会被回收

操作数栈（Operand Stack）

Each frame contains a last-in-first-out (LIFO) stack known as its operand stack. The maximum depth of the operand stack of a frame is determined at compile-time and is supplied along with the code for the method associated with the frame

操作数栈，在方法执行的过程中根据字节码指令，往栈中写入或提取数据

• 某些字节码指令将值压入操作数栈，其他指令又可以取出数值，使用后又可以再压入栈
• 比如：复制操作、交换、求和
• 字节码指令由执行引擎翻译成机器指令
• 操作数栈是一个栈帧中的结构，它随着一个方法的开始执行而被创建
• 每一个操作数栈都在编译时确定了固定的深度，这个深度保存在code属性的max_stack值
• 32位占一个栈深度、64位占两个栈深度

i++和++i区别

情景1

public void test(){
       int i1 = 10;
       i1++;

       int i2 = 20;
       ++i2;
   }

上面代码编译的字节码如上图，可见i++和++i编译出来的字节码其实是一样的，首先都是bipush指令将i的初值压入操作数栈，然后 用istore指令出栈并存入局部变量表。然后用iinc指令将局部变量表中的数据取出并+1

情景2

public void test(){
       int i1 = 10;
       int d1 = i1++;

       int i2 = 20;
       int d2 = ++i2;
   }

上面代码编译后字节码如图，可以发现用i++赋值和++i赋值的字节码是有差异的。

int d = i++的情况：首先还是用 bipush指令把初始值放入操作数栈，然后用istore取出并存入局部变量表。在给d赋值时，会先用 iload指令读取局部变量表的 i 到操作数栈（暂时存在栈中，不出栈），然后用 iinc指令为局部变量表的 i 加1，完成后再用istore指令将操作数栈中没有加一的 i 出栈，存到新的局部变量表槽中。

int d = ++i的情况：与上述情况唯一的不同是，这种情况会先调用 iinc 指令将局部变量表的 i 加一，然后再用 iload指令将加一后的 i存入操作数栈，最后用 istore赋值给局部变量

情景3（丧心病狂）

public void test(){
       int i1 = 10;

       i1 = i1++;

       int i2 = 10;
       i2 = ++i2;
   }

上述代码的字节码如上图

i = i ++情况：首先使用了 bipush 将10 压入了操作数栈，然后使用了 istore将初值10出栈并存入局部变量表，然后用 iload指令将局部变量 10 入栈到了操作数栈（接下来的操作该数值没改变）。接着使用了 iinc 指令将局部变量 i 取出、入栈、加一、出栈、存入局部变量表。这一过程没有改变最初入栈的初值10。最后，使用了 istore 指令将这个 10 覆盖了之前加一的局部变量。所以这种情况其实 i 的值没变。

i = ++i情况：同样，还是先用bipush、istore将初值10存入了局部变量表。因为++再i之前，所以先使用了 iinc 指令将局部变量表中的 10+1 改成了 11，然后再用 iload、istore指令来给 i 赋值，最终i会变成 11

其实通过上面两种情况的分析，我们可以发现，第二种情况下最后的iload、istore指令其实是没有实际意义的，它们只是将 i 入栈操作数栈又出栈存入原来的局部变量表位置。

动态链接（Dynamic Linking）

Each frame contains a reference to the run-time constant pool for the type of the current method to support dynamic linking of the method code

每个栈帧中包含的指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用

• 指向运行时常量池的方法引用
• 动态链接的作用就是将符号引用转换为直接引用