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
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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
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- 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
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2、反编译JVM角度
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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
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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
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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
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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
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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
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