攜程面試官竟然問我 Java 虛擬機棧！
大家好，我是那個永遠 18 歲的老妖怪~噓
從《JVM 內(nèi)存區(qū)域劃分》這篇文章中，大家應該 get 到了，Java 虛擬機內(nèi)存區(qū)域可以劃分為程序計數(shù)器、Java 虛擬機棧、本地方法棧和堆。今天，我們來圍繞其中的一個區(qū)域——Java 虛擬機棧，深入地展開下。
先說明一下哈。這篇文章的標題里帶了一個“攜程面試官”，有標題黨的嫌疑。但有一說一，確實有讀者在上一篇文章里留言說，攜程面試官問他了 Java 虛擬機內(nèi)存方面的知識點，所以今天的標題我就“借題發(fā)揮”了。
從“相見恨晚”這個詞中，我估摸著這名讀者在這道面試題前面折戟沉沙了。這么說吧，面試官確實喜歡問 Java 虛擬機方面的知識點，因為很能考察出一名應聘者的真實功底，所以我打算多寫幾篇這方面的文章，希望能給大家多一點點幫助~
Java 虛擬機以方法作為基本的執(zhí)行單元，“棧幀（Stack Frame）”則是用于支持 Java 虛擬機進行方法調(diào)用和方法執(zhí)行的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。每一個棧幀中都包含了局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接、方法返回地址和一些額外的附加信息（比如與調(diào)試、性能手機相關(guān)的信息）。之前的文章里有提到過這些概念，并做了一些簡單扼要的介紹，但我覺得還不夠詳細，所以這篇重點要來介紹一下棧幀中的這些概念。
1）局部變量表
局部變量表（Local Variables Table）用來保存方法中的局部變量，以及方法參數(shù)。當 Java 源代碼文件被編譯成 class 文件的時候，局部變量表的最大容量就已經(jīng)確定了。
我們來看這樣一段代碼。
public class LocalVaraiablesTable {
private void write(int age) {
String name = "沉默王二";
}
}
write() 方法有一個參數(shù) age，一個局部變量 name。
然后用 Intellij IDEA 的 jclasslib 查看一下編譯后的字節(jié)碼文件 LocalVaraiablesTable.class。可以看到 write() 方法的 Code 屬性中，Maximum local variables（局部變量表的最大容量）的值為 3。
按理說，局部變量表的最大容量應該為 2 才對，一個 age，一個 name，為什么是 3 呢？
當一個成員方法（非靜態(tài)方法）被調(diào)用時，第 0 個變量其實是調(diào)用這個成員方法的對象引用，也就是那個大名鼎鼎的 this。調(diào)用方法 write(18)，實際上是調(diào)用 write(this, 18)。
點開 Code 屬性，查看 LocalVaraiableTable 就可以看到詳細的信息了。
第 0 個是 this，類型為 LocalVaraiablesTable 對象；第 1 個是方法參數(shù) age，類型為整形 int；第 2 個是方法內(nèi)部的局部變量 name，類型為字符串 String。
當然了，局部變量表的大小并不是方法中所有局部變量的數(shù)量之和，它與變量的類型和變量的作用域有關(guān)。當一個局部變量的作用域結(jié)束了，它占用的局部變量表中的位置就被接下來的局部變量取代了。
來看下面這段代碼。
public static void method() {
// ①
if (true) {
// ②
String name = "沉默王二";
}
// ③
if(true) {
// ④
int age = 18;
}
// ⑤
}
method()方法的局部變量表大小為 1，因為是靜態(tài)方法，所以不需要添加 this 作為局部變量表的第一個元素；②的時候局部變量有一個 name，局部變量表的大小變?yōu)?1； ③的時候 name 變量的作用域結(jié)束； ④的時候局部變量有一個 age，局部變量表的大小為 1； ⑤的時候局 age 變量的作用域結(jié)束；
關(guān)于局部變量的作用域，《Effective Java》 中的第 57 條建議：
將局部變量的作用域最小化，可以增強代碼的可讀性和可維護性，并降低出錯的可能性。
在此，我還有一點要提醒大家。為了盡可能節(jié)省棧幀耗用的內(nèi)存空間，局部變量表中的槽是可以重用的，就像 method() 方法演示的那樣，這就意味著，合理的作用域有助于提高程序的性能。
局部變量表的容量以槽（slot）為最小單位，一個槽可以容納一個 32 位的數(shù)據(jù)類型（比如說 int，當然了，《Java 虛擬機規(guī)范》中沒有明確指出一個槽應該占用的內(nèi)存空間大小，但我認為這樣更容易理解），像 float 和 double 這種明確占用 64 位的數(shù)據(jù)類型會占用兩個緊挨著的槽。
來看下面的代碼。
public void solt() {
double d = 1.0;
int i = 1;
}
用 jclasslib 可以查看到，solt() 方法的 Maximum local variables 的值為 4。
為什么等于 4 呢？帶上 this 也就 3 個呀？
查看 LocalVaraiableTable 就明白了，變量 i 的下標為 3，也就意味著變量 d 占了兩個槽。
2）操作數(shù)棧
同局部變量表一樣，操作數(shù)棧（Operand Stack）的最大深度也在編譯的時候就確定了，被寫入到了 Code 屬性的 maximum stack size 中。當一個方法剛開始執(zhí)行的時候，操作數(shù)棧是空的，在方法執(zhí)行過程中，會有各種字節(jié)碼指令往操作數(shù)棧中寫入和取出數(shù)據(jù)，也就是入棧和出棧操作。
來看下面這段代碼。
public class OperandStack {
public void test() {
add(1,2);
}
private int add(int a, int b) {
return a + b;
}
}
OperandStack 類共有 2 個方法，test() 方法中調(diào)用了 add() 方法，傳遞了 2 個參數(shù)。用 jclasslib 可以看到，test() 方法的 maximum stack size 的值為 3。
這是因為調(diào)用成員方法的時候會將 this 和所有參數(shù)壓入棧中，調(diào)用完畢后 this 和參數(shù)都會一一出棧。通過 「Bytecode」 面板可以查看到對應的字節(jié)碼指令。
aload_0 用于將局部變量表中下標為 0 的引用類型的變量，也就是 this 加載到操作數(shù)棧中； iconst_1 用于將整數(shù) 1 加載到操作數(shù)棧中； iconst_2 用于將整數(shù) 2 加載到操作數(shù)棧中； invokevirtual 用于調(diào)用對象的成員方法； pop 用于將棧頂?shù)闹党鰲＃?/section> return 為 void 方法的返回指令。
再來看一下 add() 方法的字節(jié)碼指令。
iload_1 用于將局部變量表中下標為 1 的 int 類型變量加載到操作數(shù)棧上（下標為 0 的是 this）； iload_2 用于將局部變量表中下標為 2 的 int 類型變量加載到操作數(shù)棧上； iadd 用于 int 類型的加法運算； ireturn 為返回值為 int 的方法返回指令。
操作數(shù)中的數(shù)據(jù)類型必須與字節(jié)碼指令匹配，以上面的 iadd 指令為例，該指令只能用于整形數(shù)據(jù)的加法運算，它在執(zhí)行的時候，棧頂?shù)膬蓚€數(shù)據(jù)必須是 int 類型的，不能出現(xiàn)一個 long 型和一個 double 型的數(shù)據(jù)進行 iadd 命令相加的情況。
3）動態(tài)鏈接
每個棧幀都包含了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)鏈接（Dynamic Linking）。
來看下面這段代碼。
public class DynamicLinking {
static abstract class Human {
protected abstract void sayHello();
}
static class Man extends Human {
@Override
protected void sayHello() {
System.out.println("男人哭吧哭吧不是罪");
}
}
static class Woman extends Human {
@Override
protected void sayHello() {
System.out.println("山下的女人是老虎");
}
}
public static void main(String[] args) {
Human man = new Man();
Human woman = new Woman();
man.sayHello();
woman.sayHello();
man = new Woman();
man.sayHello();
}
}
大家對 Java 重寫有了解的話，應該能看懂這段代碼的意思。Man 類和 Woman 類繼承了 Human 類，并且重寫了 sayHello() 方法。來看一下運行結(jié)果：
男人哭吧哭吧不是罪
山下的女人是老虎
山下的女人是老虎
這個運行結(jié)果很好理解，man 的引用類型為 Human，但指向的是 Man 對象，woman 的引用類型也為 Human，但指向的是 Woman 對象；之后，man 又指向了新的 Woman 對象。
從面向?qū)ο缶幊痰慕嵌龋瑥亩鄳B(tài)的角度，我們對運行結(jié)果是很好理解的，但站在 Java 虛擬機的角度，它是如何判斷 man 和 woman 該調(diào)用哪個方法的呢？
用 jclasslib 看一下 main 方法的字節(jié)碼指令。
第 1 行：new 指令創(chuàng)建了一個 Man 對象，并將對象的內(nèi)存地址壓入棧中。 第 2 行：dup 指令將棧頂?shù)闹祻椭埔环莶喝霔ｍ敗Ｒ驗榻酉聛淼闹噶?invokespecial 會消耗掉一個當前類的引用，所以需要復制一份。 第 3 行：invokespecial 指令用于調(diào)用構(gòu)造方法進行初始化。 第 4 行：astore_1，Java 虛擬機從棧頂彈出 Man 對象的引用，然后將其存入下標為 1 局部變量 man 中。 第 5、6、7、8 行的指令和第 1、2、3、4 行類似，不同的是 Woman 對象。 第 9 行：aload_1 指令將第局部變量 man 壓入操作數(shù)棧中。 第 10 行：invokevirtual 指令調(diào)用對象的成員方法 sayHello()，注意此時的對象類型為com/itwanger/jvm/DynamicLinking$Human。第 11 行：aload_2 指令將第局部變量 woman 壓入操作數(shù)棧中。 第 12 行同第 10 行。
注意，從字節(jié)碼的角度來看，man.sayHello()（第 10 行）和 woman.sayHello()（第 12 行）的字節(jié)碼是完全相同的，但我們都知道，這兩句指令最終執(zhí)行的目標方法并不相同。
究竟發(fā)生了什么呢？
還得從 invokevirtual 這個指令著手，看它是如何實現(xiàn)多態(tài)的。根據(jù)《Java 虛擬機規(guī)范》，invokevirtual 指令在運行時的解析過程可以分為以下幾步：
①、找到操作數(shù)棧頂?shù)脑厮赶虻膶ο蟮膶嶋H類型，記作 C。
②、如果在類型 C 中找到與常量池中的描述符匹配的方法，則進行訪問權(quán)限校驗，如果通過則返回這個方法的直接引用，查找結(jié)束；否則返回
java.lang.IllegalAccessError異常。③、否則，按照繼承關(guān)系從下往上一次對 C 的各個父類進行第二步的搜索和驗證。
④、如果始終沒有找到合適的方法，則拋出
java.lang.AbstractMethodError異常。
也就是說，invokevirtual 指令在第一步的時候就確定了運行時的實際類型，所以兩次調(diào)用中的 invokevirtual 指令并不是把常量池中方法的符號引用解析到直接引用上就結(jié)束了，還會根據(jù)方法接受者的實際類型來選擇方法版本，這個過程就是 Java 重寫的本質(zhì)。我們把這種在運行期根據(jù)實際類型確定方法執(zhí)行版本的過程稱為動態(tài)鏈接。
4）方法返回地址
當一個方法開始執(zhí)行后，只有兩種方式可以退出這個方法：
正常退出，可能會有返回值傳遞給上層的方法調(diào)用者，方法是否有返回值以及返回值的類型根據(jù)方法返回的指令來決定，像之前提到的 ireturn 用于返回 int 類型，return 用于 void 方法；還有其他的一些，lreturn 用于 long 型，freturn 用于 float，dreturn 用于 double，areturn 用于引用類型。
異常退出，方法在執(zhí)行的過程中遇到了異常，并且沒有得到妥善的處理，這種情況下，是不會給它的上層調(diào)用者返回任何值的。
無論是哪種方式退出，在方法退出后，都必須返回到方法最初被調(diào)用時的位置，程序才能繼續(xù)執(zhí)行。一般來說，方法正常退出的時候，PC 計數(shù)器的值會作為返回地址，棧幀中很可能會保存這個計數(shù)器的值，異常退出時則不會。
方法退出的過程實際上等同于把當前棧幀出棧，因此接下來可能執(zhí)行的操作有：恢復上層方法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 PC 計數(shù)器的值，找到下一條要執(zhí)行的指令等。
以上部分內(nèi)容參考自周志明老師的《深入理解 Java 虛擬機》，以及好朋友張亞的《深入理解 JVM 字節(jié)碼》。強烈推薦一下這兩本書。
初學者一開始學習 Java 虛擬機的時候可能會感到很枯燥，很難懂，但有了一定的經(jīng)驗積累后，再來學習這塊知識就會有一種開竅了的感覺。當然了，Java 虛擬機這塊的知識點是必學的，因為性能優(yōu)化、找工作面試，甚至說提高編程功底都是很亟需的。
四書之一《大學》中，開篇就提到了一個概念，叫做“格物致知”，意思就是通過研究事物背后的原理來獲取知識，深入 Java 虛擬機、字節(jié)碼等背后深層次的結(jié)構(gòu)和原理來剖析 Java，能讓我們變得更自信，全身彌漫出一種“技術(shù)高手”的光芒~
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