第二部分：运行时数据区

1.程序计数器：

全称是程序计数寄存器，像CPU的寄存器一样，存放线程的下一条指令的地址。每个线程都有一个

（区域小，执行速度快，不会有垃圾回收，也不会报oom错）

两个问题：

• 使用PC寄存器存储字节码指令地址有什么用呢 或者表述为 为什么使用PC寄存器记录当前线程的执行地址呢
  • 因为CPU在不停地切换线程，当切换回来时，需要通过PC寄存器知道从哪个地方开始执行
  • JVM的解释器也需要PC寄存器告诉它下一条指令在哪里
• PC寄存器为什么被设定为线程私有
  • 因为CPU在不停地切换线程，当切换回来时，需要通过PC寄存器知道从哪个地方开始执行。要是只有一个PC寄存器，就不知道线程在中断时执行到哪个地方

2.虚拟机栈：

• 是线程私有的，线程创建时会创建一个虚拟机栈，栈里面有栈帧，对应一个个方法。
• 作用：管理Java方法的调用，保存方法的局部变量（不是成员变量）（8种基本类型，以及引用类型的引用），部分结果（中间结果），并参与方法的调用和返回
• 只会进行入栈出栈操作，不会GC，但是会OOM
• 速度快，仅次于程序计数器
• 栈越大，可调用方法越多。栈帧越大，可,越小。局部变量表和操做数栈越大，栈帧越大

会有OOM和 StackOverflow 异常，死循环 / 内存泄露 / 方法区class对象太多 会OOM ，一直自己调用自己或者递归可能SOF

栈帧：

• 栈顶的栈帧是当前栈帧，对应的是当前方法，当前方法所属的类是当前类
• 执行引擎只操作当前栈帧
• 如果当前方法调用了新的方法，会新建一个栈帧，放在栈顶，成为当前栈帧。当前方法返回，当前栈帧就会被抛弃，前一个栈帧成为当前栈帧
• 不同的线程有不同的栈，不能引用其他栈的栈帧
• Java方法有两种返回函数的方式：一是正常的return，void方法在字节码里有return指令，在源代码里面写不写return都行。二是有异常，但是没有处理，被抛出，也会退出程序，程序报错结束
• 内容：
  • 局部变量表（Local Variables)（或 局部变量数组 本地变量表）
    • 定义为一个数字数组（长度为32位以内的数据占一个slot，64位占两个slot）（其他数据类型都转为int，double，long占两个slot）
    • slot是它的最基本的存储单元（变量槽）【引用变量只占一个槽】
      • slot可以回收，当局部变量过了作用域，后面的局部变量可以重复利用它之前占的槽
    • 主要用于储存方法参数和方法体里的局部变量，这些数据类型包括 基本数据类型，对象引用，returnaddress类型
    • 局部变量表是建立在线程的栈上，是线程的私有数据，所以线程安全**（所以多线程使用同一个类的同一个方法，是线程安全的）**
    • 表里面的变量只在当前方法调用中有效。方法调用完，栈帧销毁，表销毁
    • 局部变量表的大小在编译期确定下来的。并保存在方法的code属性的maximum local varibles数据项中。方法运行期间是不会改变它的大小的。
  • 操作数栈（Openrand Stack）（或称为 表达式栈）
    • 主要用于保存计算过程的中间结果，同时作为计算过程中变量临时的储存空间
    • 用数组实现
    • 操作数栈是JVM执行引擎的一个工作区。当方法开始执行时，创建新的栈帧，栈帧里创建空的操作数栈
    • 操作数栈的大小在编译期就已经确定，保存在方法的code属性中的max_stack
    • 操作数栈中的元素可以是Java数据类型的任意一个。32位的类型占用一个深度。64位占用两个
    • 操作数栈不是采用访问索引的方式进行访问。只能是通过入栈出栈进行操作
    • 如果被调用的方法有返回值，其返回值会被压入当前栈帧的操作数栈中，并更新PC寄存器指向下一条指令
    • 操作数栈中元素的数据类型必须与字节码指令的序列严格匹配，这由编译器在编译期间进行验证，同时在类加载过程中的类检验阶段的数据流分析阶段要再次验证
    • Java虚拟机的执行引擎是基于栈的执行引擎，里面的栈是操作数栈。
    • 栈顶缓存技术：因为操作数栈是在内存中的，字节码指令多，读写操作频繁，所以hotSpot jvm的设计者把栈顶元素缓存到物理的寄存器中，提高速度
  • 动态链接（Dynamic Linking）（或 指向运行时常量池的方法引用）
    • 就是一个指向运行时常量池的方法引用
    • 每个栈帧都有一个动态链接
    • 作用：
      • 使当前方法的代码支持动态链接。比如：invokedynamic指令
      • 字节码文件里有一个常量池，里面是变量和方法的引用，都是符号引用。【动态链接的作用就是把符号引用转换成调用方法的直接引用】
    • 常量池：作用就是为了提供一些符号和常量，便于指令的识别
  • 方法返回地址（Return Address）（或 方法正常退出或异常退出的定义）
    • 作用：存放调用该方法的方法的PC寄存器的值，
      • 方法正常退出：调用者的PC寄存器的值作为返回地址，即调用该方法的指令的下一条指令的地址
      • （不是很清晰）有未捕获异常退出：直接退出该方法，会给该方法的调用者产生返回值
      • 如果方法中有try catch异常，捕获异常时，根据异常表，正常捕获跳转
      • 共同点：调用结束之后，都返回调用该方法的位置
    • 返回指令：ireturn（返回值为boolean,byte,char,short,int）、lreturn、freturn、dreturn、areturn（返回引用）、return（void方法，实例初始化方法，类和接口的初始化方法）
  • 一些附加信息，例如：对重新调试提供支持的信息
  • 【有时会把 动态链接， 方法返回地址， 一些附加信息统称为 帧数据区】
  • 方法的调用：
    • 链接与绑定
      • 静态链接与动态链接
        • 都是把符号引用换成直接引用。区别是前者需要被调用方法在编译期可知，且运行时不变。后者是被调用方法在编译器无法确定下来，只能在运行时转换
      • 早期绑定和晚期绑定
        • 绑定是一个字段，方法，类在符号引用转换成直接引用的过程，这仅仅发生一次
        • 都是将方法和所属类型绑定。区别是前者是方法在编译期确定，且运行期不发生改变，后者是方法在编译期不确定
      • 面向对象的编程语言都有多态，自然具备早期绑定和晚期绑定两种方式
    • 虚方法
      • Java中的普通方法都具有虚方法的特征，相当于C++的虚函数。如果希望某个方法不具有虚函数的特征，加final修饰
        • 非虚方法：方法在编译期间就确定了具体的版本，且运行时不变
        • 静态方法，私有方法，父方法，final方法，构造方法都是非虚方法
        • 其他方法为虚方法
      • 虚拟机提供了几种方法调用指令：
        • 普通调用指令
          • invokestatic：调用static方法，编译期间确定唯一方法版本
          • invokespecial：调用方法，父类方法，私有方法，编译期间确定唯一方法版本
          • invokevirtual：调用虚方法
          • invokeinterface：调用接口方法
        • 动态调用指令：
          • invokedynamic：动态解析需要调用的方法，然后执行
            • Java7修改了虚拟机规范，在指令集加了这个指令。但是没有直接生成这个指令的方式。Java8的lambal表达式出来之后，才有了直接的生成方式
        • 前面四个指令不能干预，最后一个用户可以人为确定方法版本。 invokestatic+invokespecial+final方法（被分到invokevirtual里了）为非虚方法
    • 方法的重写
      • 方法重写的本质：
        • 1.找到操作数栈栈顶的第一个元素所执行的对象的实际类型，记作C
        • 2.如果在类型C中找到和常量中的描述和简单名称都相符的方法，则进行访问权限校验。如果校验通过则返回这个方法的直接引用，查找过程结束。校验不通过，抛出 java.lang.IllegalAccessErrorr 异常
        • 3.如果没有找到相符的方法，按继承关系从下往上对C的各个父类进行第二步的查找和校验过程
        • 4.如果始终没有找到合适的方法，则抛出 java.lang.AbstractMethodError异常
        • 【IllegalAccessErrorr 介绍：当程序试图访问或修改一个属性或调用一个方法，如果你没有权限访问，就会引起编译器异常。如果这个错误发生在运行时，就说明这个类发生了不兼容的变化】
    • 虚方法表
      • 作用：减少调用虚方法时查找目标方法的次数，用索引表代替查找【非虚方法不用查找，因为编译期就确定了】
      • 每个类都有一个，表中存放着各个方法的实际入口
      • 创建时间：虚方法表在类加载的链接阶段被创建并开始初始化，类的变量初始值准备完后，JVM会把该类的方法表也初始化完毕

面试题：

• 举例栈溢出的情况：一直自己调用自己 或者 一直递归
• 调整栈的大小，能保证不出现溢出吗：不能。如果一直递归不退出，只能推迟出现异常的时间
• 垃圾回收是否会涉及到虚拟机栈：不会，栈会有OOM，但是没有GC
• 分配的栈内存越大越好吗：不是。要合理分配，过大会导致线程数过少，而且也会影响jvm其他部分使用的空间
• 方法中定义的局部变量是否线程安全：如果没有逃逸，只在方法内起作用，是线程安全的。但是如果逃逸了，比如传参进来，return出去，不仅仅在方法内起作用，就不是线程安全

3.本地方法栈

本地方法接口

• 本地方法：一个Java调用非Java代码的接口，方法体是非Java方法在外面实现的
• 使用本地方法的原因：
  • 与Java环境外交互
  • 与操作系统交互
  • Sun’s java：sun的解释器是用C实现的，这使得它能像一些普通的C一样与外部交互
• 现在使用本地方法越来越少了，除法是和硬件相关的应用，比如通过Java程序驱动打印机或Java系统管理生产设备。因为现在的异构邻域间的通信很发达，比如用socket通信，用web service
• native可以与除了 abstract 的所有修饰符一起用

本地方法栈

• 也是线程私有的
• 允许被实现成固定或动态大小（溢出和 虚拟机栈是一样的）
• 本地方法是用C写的
• 具体做法是在本地方法栈 登记本地方法，执行引擎执行时加载本地方法库
• 当线程调用一个本地方法时，它就不受虚拟机限制，和虚拟机有一样的权限
  • 本地方法可以通过本地方法接口来访问虚拟机内部的运行时数据区
  • 它可以直接使用本机的寄存器
  • 直接从本地内存的堆中分配任意数量的内存
• 不是所有虚拟机支持本地方法
• 在hotspot jvm中，直接将本地方法栈和虚拟机栈合二为一