简述

栈帧(Stack Frame)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链接方法返回地址等信息。

总的来看,其结构大概如下图黄色区域那样。

image

在单个线程中,每一个调用方法jvm都会为其分配一个栈帧。上图中,main方法中包含一个栈帧,然后在main方法里面调用了computer()方法,然后这个computer()方法也会含有自己的栈帧。另外每个栈帧内部都含有自己的局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址等信息。

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程序编译为Class文件时,就在方法表的Code属性的max_locals数据项中确定了该方法需要分配的最大局部变量表的容量。在方法执行时,虚拟机是使用局部变量表完成参数变量列表的传递过程,如果是实例方法,那么局部变量表中的每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列表的顺序来排列,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来分配其余的Slot。局部变量表中的Slot是可重用的,方法体中定义的变量,其作用域并不一定会覆盖整个方法,如果当前字节码PC计算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就可以交给其它变量使用。

下面举个简单栗子,取部分java代码

		int a = 10;
		int b = 20;
		int c = a + b; 

将其编译成class文件后,再使用javap 命令反编译得到对应部分的字节码如下

         0: bipush        10
         2: istore_1
         3: bipush        20
         5: istore_2
         6: iload_1
         7: iload_2
         8: iadd
         9: istore_3

其中0 :bipush就是将数字10推入操作数栈,2:istore_1将操作数栈顶的第一个数字存入到局部变量表中的第一个变量中,也就是将10赋值给变量a。然后后面的都是同理。

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编译的时候被写入到方法表的Code属性的max_stacks数据项中。操作数栈的每一个元素可以是任意Java数据类型,包括long和double。32位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。栈容量的单位为“字宽”,对于32位虚拟机来说,一个”字宽“占4个字节,对于64位虚拟机来说,一个”字宽“占8个字节。   当一个方法刚刚执行的时候,这个方法的操作数栈是空的,在方法执行的过程中,会有各种字节码指向操作数栈中写入和提取值,也就是入栈与出栈操作。例如,在做算术运算的时候就是通过操作数栈来进行的,又或者调用其它方法的时候是通过操作数栈来行参数传递的。

动态链接

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付方法调用过程中的动态连接(Dynamic Linking)。

在类加载阶段中的解析阶段会将符号引用转为直接引用,这种转化也称为静态解析。另外的一部分将在每一次运行时期转化为直接引用。这部分称为动态连接。

有点抽象,只有慢慢理解了。

方法返回地址

当一个方法开始执行后,只有2种方式可以退出这个方法 :

  • 方法返回指令 : 执行引擎遇到一个方法返回的字节码指令,这时候有可能会有返回值传递给上层的方法调用者,这种退出方式称为正常完成出口。

  • 异常退出 : 在方法执行过程中遇到了异常,并且没有处理这个异常,就会导致方法退出。

 无论采用何种方式退出,在方法退出之前,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来确定的,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:恢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)压入调用都栈帧的操作数栈中,调用PC计数器的值以指向方法调用指令后面的一条指令等。