内存管理 - 栈帧

虚拟机栈是一个先进后出的栈，栈帧是保存在虚拟机栈中的。线程运行过程中，只有一个栈帧是处于活跃状态，称为“当前活跃栈帧”，当前活动栈帧始终处于虚拟机栈的栈顶。

栈帧用来存储数据和部分结果数据的结构，同时也被用来处理动态链接（Dynamic Linking）、方法返回值和异常分派（Dispatch Exception）。

局部变量（Local Variable Table）

• 局部变量表是一组变量值的存储空间，用于存放方法参数和局部变量。在 Class 文件的方法表的 Code 属性的 max_locals 指定了该方法所需局部变量表的最大容量。
• 局部变量表的基本单位为变量槽（slot），局部变量表存放的是方法参数和局部变量；虚拟机是通过索引定位的方式使用局部变量表。
• 当调用方法是非 static 方法时，局部变量表中第0位索引的 Slot 默认是用于传递方法所属对象实例的引用（reference），即 “this” 关键字指向的对象。分配完方法参数后，便会依次分配方法内部定义的局部变量。
  为了节省栈帧空间，局部变量表中的 Slot 是可以重用的。因为即使是一个方法内，也是存在作用域的，当离开了某些变量的作用域之后，这些变量对应的 Slot 空间就可以交给其他变量使用。但是这种机制有时候会影响垃圾回收行为，原因很简单，当离开某个作用域时，如果没有新的变量值覆盖之前作用域内的变量（指reference）空间，那么当垃圾回收时，则该引用对应的java堆中的内存则不允许被回收，因为局部变量表中还存在该引用。所以问题在于虚拟机并没有主动清理局部变量表中离开作用域的变量值，而是采用新盖旧的方法被动清理。
• 局部变量表的作用就是记录执行该方法时会使用到的变量值，它可以说这个方法的数据池，是我们方法中变量的化身，相当于把我们方法中所需要的变量整合成一个数组对象或集合对象，这个对象的名称就叫做局部变量表。

变量槽（Variable Slot）

• 虚拟机规范中并没有明确说明一个Slot应占用的内存空间大小，只是很有“导向性”的说一个 Slot 可以存放 boolean、byte、char、short、int、float、reference 和 returnAddress 8种类型。正常来讲以上的数据只需要用32位长度的内存空间，但是虚拟机规范并没有定死，它允许slot的长度随着处理器、操作系统或虚拟机的不同而发生变化。不过即使在64位虚拟机中使用64位长度的内存空间来实现slot，虚拟机仍要使用对齐和补白的手段让slot外观上看起来有32位虚拟机的一致。
• 正常来说一个slot的占用32位的长度内存，可以存放 boolean、byte、char、short、int、float、reference 和 returnAddress 8种类型，而 对于64位的 long 和 double 变量而言，虚拟机会为其分配两个连续的 Slot 空间。

操作数栈（Operand Stack）

• 操作数栈也常被称为操作栈。在 Class 文件的 Code 属性的 max_stacks 指定了执行过程中最大的栈深度。Java 虚拟机的解释执行引擎称为“基于栈的执行引擎”，这里的栈就是指操作数栈。
• 操作数栈的每个位置上可以保存一个java虚拟机中定义的任意数据类型的值，包括long和double。
• 操作数栈是方法执行算术运算或者是调用其他的方法进行参数传递的时候时的媒介，这就是“基于栈的执行引擎”。
• 操作数栈中的元素类型必须与字节码指令序列严格匹配，比如不能用iadd 指令去加两个long类型的数据。当然这些基本数据类型的校验在编译期中会校验，编译是无法通过两个long类型加为int类型的代码。当然指令还有很多种，不要像我一开始就产生困惑iadd这么简单的指令如何解释那么复杂的代码的。
• 当一个方法刚开始执行时，这个方法的操作数栈是空的，在方法的执行过程中，会有各种字节码指令向操作数栈中写入和提取内容，也就是入栈出栈的操作。
• 在概念模型中，两个栈帧是相互独立的。但是大多数虚拟机的实现都会进行优化，令两个栈帧出现一部分重叠。令下面的部分操作数栈与上面的局部变量表重叠在一块，这样在方法调用的时候可以共用一部分数据，无需进行额外的参数复制传递。

动态连接（Dynamic Linking）

• 每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属性方法的引用，持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态连接。
• Class文件的常量池中存有大量的符号引用，字节码中的方法调用指令就以常量池中指向方法的符号引用为参数。这些符号引用一部分会在类加载阶段或第一次使用的时候转化为直接引用，这种转化称为静态解析。另外一部分将在每一次的运行期期间转化为直接引用，这部分称为动态连接。

方法返回地址（Return Address）
当一个方法被执行后，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，这时候可能会有返回值传递给上层的方法调用者(调用当前方法的的方法称为调用者)，是否有返回值和返回值的类型将根据遇到何种方法返回指令来决定，这种退出方法方式称为正常完成出口(Normal Method Invocation Completion)。
• 在方法执行过程中遇到了异常，并且这个异常没有在方法体内得到处理，无论是Java虚拟机内部产生的异常，还是代码中使用athrow字节码指令产生的异常，只要在本方法的异常表中没有搜索到匹配的异常处理器，就会导致方法退出，这种退出方式称为异常完成出口(Abrupt Method Invocation Completion)。一个方法使用异常完成出口的方式退出，是不会给它的调用都产生任何返回值的。

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。

附加信息
虚拟机规范允许具体的虚拟机实现增加一些规范里没有描述的信息到栈帧中，例如与高度相关的信息，这部分信息完全取决于具体的虚拟机实现。在实际开发中，一般会把动态连接，方法返回地址与其它附加信息全部归为一类，称为栈帧信息。