1 运行时栈帧结构

运行时栈帧结构¶

Java虚拟机以方法作为最基本的执行单元，“栈帧”(Stack Frame)则是用于支持虚拟机进行方法调用和方法执行背后的数据结构，它也是虚拟机运行时数据区中的虚拟机栈(Virtual Machine Stack)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至执行结束的过程，都对应着一个栈帧在虚拟机里面从入栈到出栈的过程。

一个栈帧需要分配多少内存，并不会受到程序运行期变量数据的影响，而仅仅取决于程序源码和具体的虚拟机实现的栈内存布局形式。

一个线程中地方法调用链可能会很长，以Java程序的角度来看，同一时刻、同一条线程里面，在调用堆栈的所有方法都同时处于执行状态。而对于执行引擎来说，在活动线程中，只有位于栈顶的方法才是在运行的，只有位于栈顶的栈帧才是生效的，其被称为"当前栈帧"(Current Stack Frame)，与这个栈帧所关联的方法被称为“当前方法”(Current Method)。执行引擎运行的所有字节码指令都只针对当前栈帧进行操作，在概念模型上，典型的栈帧结构如图所示：

局部变量表¶

一组变量值的存储空间，用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量。

局部变量表的容量以变量槽(Variable Slot)为最小单位。

对于64位的数据类型，Java虚拟机会以高位对齐的方式为其分配两个连续的变量槽空间。Java语言中明确的64位的数据类型只有long和double两种。

Java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开始至局部变量表最大的变量槽数量。

当一个方法被调用时，Java虚拟机会使用局部变量来完成参数值到参数变量列表的传递过程，即实参到形参的传递。为了尽可能节省栈帧耗用的内存空间，局部变量表中的变量槽是可以重用的，方法体中定义的变量，其作用域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，那这个变量对应的变量槽就可以交给其他变量来重用。

局部变量不像类变量那样存在“准备阶段”。类的字段变量有两次赋初始值的过程，一次在准备阶段，赋予系统初始值；另外一次在初始化阶段，赋予程序员定义的初始值。但局部变量就不一样了，如果一个局部变量定义了但没有赋初始值，那它是完全不能使用的。

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

程序会报错

操作数栈¶

也常称为操作栈，是一个后入先出(Last In First Out, LIFO)栈。同局部变量一样，操作数栈的最大深度也在编译的时候被写入Code属性的max_stacks数据项之中。32数据类型所占的栈容量为1， 64位数据类型所占的栈容量为2。javac编译器的数据流分析工作保证了在方法执行的任何时候，操作数栈的深度都不会超过在max_stacks数据项中设定的最大值。

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(Dynamic Linking)。常量池中由大量的符号引用，字节码中的方法调用指令就以常量池里指向方法的符号引用作为参数。这些符号引用一部分会在类加载阶段或者第一次使用的时候就被转化为直接引用，这种转化被称为静态解析。另外一部分将在每一次运行期间都转化为直接引用，这部分就称为动态连接。

方法返回地址¶

当一个方法开始执行后，只有两种方式退出这个方法： - 执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令 - 在方法执行的过程中遇到了异常。

无论采用何种退出方式，在方法退出之后，都必须返回到最初方法被调用的位置，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主调方法的执行状态。一般来说，方法正常退出时，主调方法的、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的，栈帧中就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：恢复上层方法的局部变量表和操作数栈，把返回值压入调用者栈帧的操作数栈，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。