JVM栈-操作数栈

操作数栈的特点

每一个独立的栈帧除了包含局部变量表以外，还包含一个后进先出（Last - In - First -Out）的 操作数栈，也可以称之为表达式栈（Expression Stack）
操作数栈，在方法执行过程中，根据字节码指令，往栈中写入数据或提取数据，即入栈（push）和 出栈（pop）
某些字节码指令将值压入操作数栈，其余的字节码指令将操作数取出栈。使用它们后再把结果压入栈，
比如：执行复制、交换、求和等操作

image.png image.png

操作数栈的作用

• 操作数栈，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存储空间。
• 操作数栈就是JVM执行引擎的一个工作区，当一个方法刚开始执行的时候，一个新的栈帧也会随之被创建出来，这时方法的操作数栈是空的。
• 每一个操作数栈都会拥有一个明确的栈深度用于存储数值，其所需的最大深度在编译期就定义好了，保存在方法的Code属性中，为maxstack的值。
• 栈中的任何一个元素都是可以任意的Java数据类型
  32bit的类型占用一个栈单位深度
  64bit的类型占用两个栈单位深度

image.png
image.png
image.png

• 操作数栈并非采用访问索引的方式来进行数据访问的，而是只能通过标准的入栈和出栈操作来完成一次数据访问。只不过操作数栈是用数组这个结构来实现的而已
• 如果被调用的方法带有返回值的话，其返回值将会被压入当前栈帧的操作数栈中，并更新PC寄存器中下一条需要执行的字节码指令。
• 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，这由编译器在编译器期间进行验证，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。
• 另外，我们说Java虚拟机的解释引擎是基于栈的执行引擎，其中的栈指的就是操作数栈。

操作数栈代码追踪

操作数栈的用武之地
一句话总结：操作数栈是变量操作的中间容器

前面我们学习过方法中的局部变量是存储在局部变量表中的，然而操作数栈也是在方法栈帧中，那方法中还有哪些数据能让他去操作呢？

思考一个问题：局部变量表中的数据是从哪里放进去的？

1、人类视觉角度

image.png

2、反编译JVM角度

image.png

3、JVM执行角度分析
3.1、执行引擎执行PC寄存器中偏移地址为 0 和 2 的字节码指令bipush 7、istore_0

bipush 表示将一个int类型的数据压栈（操作数栈）

istore_0 表示将int类型数据存储到局部变量表中索引为0的位置

image.png

3.2、执行引擎执行PC寄存器中偏移地址为 3 和 5 的字节码指令bipush 8、istore_1

image.png

3.3、执行引擎执行PC寄存器中偏移地址为 6 和 7 的字节码指令iload_0、iload_1

image.png

3.4、执行引擎执行PC寄存器中偏移地址为8 和 9的字节码指令iadd、istore_2

iadd 表示int类型数据相加操作

istore_2 表示将int类型数据存储到局部变量表中索引为2的位置

image.png

注：在iadd之后其结果会再次会再次压入操作数栈中

经过上述步骤，单独把操作数栈提取出来看看它究竟干了些什么，其实也就是作为中间存储容器，将数据临时放在操作数栈中，方便数据的运算、传递等操作。

栈顶缓存技术

栈顶缓存技术：Top Of Stack Cashing

前面提过，基于栈式架构的虚拟机所使用的零地址指令更加紧凑，但完成一项操作的时候必然需要使用更多的入栈和出栈指令，这同时也就意味着将需要更多的指令分派（instruction dispatch）次数（也就是你会发现指令很多）和导致内存读/写次数多，效率不高。
由于操作数是存储在内存中的，因此频繁地执行内存读/写操作必然会影响执行速度。为了解决这个问题，HotSpot JVM的设计者们提出了栈顶缓存（Tos，Top-of-Stack Cashing）技术，将栈顶元素全部缓存在物理CPU的寄存器中，以此降低对内存的读/写次数，提升执行引擎的执行效率。
寄存器的主要优点：指令更少，执行速度快，但是指令集（也就是指令种类）很多