JVM学习：虚拟机栈-操作数栈

一、概念

1. 和局部变量区一样，操作数栈也是被组织成一个以字长为单位的数组。但是和前者不同的是，它不是通过索引来访问，而是通过标准的栈操作—压栈和出栈—来访问的。比如，如果某个指令把一个值压入到操作数栈中，稍后另一个指令就可以弹出这个值来使用。
2. 虚拟机在操作数栈中存储数据的方式和在局部变量区中是一样的：如int、long、float、double、reference和returnType的存储。对于byte、short以及char类型的值在压入到操作数栈之前，也会被转换为int。
3. 不同于程序计数器，Java虚拟机没有寄存器，程序计数器也无法被程序指令直接访问。Java虚拟机的指令是从操作数栈中而不是从寄存器中取得操作数的，因此它的运行方式是基于栈的而不是基于寄存器的。虽然指令也可以从其他地方取得操作数，比如从字节码流中跟随在操作码（代表指令的字节）之后的字节中或从常量池中，但是主要还是从操作数栈中获得操作数。
4. 虚拟机把操作数栈作为它的工作区——大多数指令都要从这里弹出数据，执行运算，然后把结果压回操作数栈。比如，iadd指令就要从操作数栈中弹出两个整数，执行加法运算，其结果又压回到操作数栈中，看看下面的示例，它演示了虚拟机是如何把两个int类型的局部变量相加，再把结果保存到第三个局部变量的：

begin
iload_0 // push the int in local variable 0 onto the stack
iload_1 // push the int in local variable 1 onto the stack
iadd // pop two ints, add them, push result
istore_2 // pop int, store into local variable 2
end

5. 在这个字节码序列里，前两个指令iload_0和iload_1将存储在局部变量中索引为0和1的整数压入操作数栈中，其后iadd指令从操作数栈中弹出那两个整数相加，再将结果压入操作数栈。第四条指令istore_2则从操作数栈中弹出结果，并把它存储到局部变量区索引为2的位置。图5-10详细表述了这个过程中局部变量和操作数栈的状态变化，图中没有使用的局部变量区和操作数栈区域以空白表示。
   在这里插入图片描述

• 没啥好补充的

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二、作用

1. 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。
2. 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（这个时候数组是有长度的，只是操作数栈为空）
3. 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。
4. 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
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。

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三、代码追踪

• 代码

public void testAddOperation() {
    //byte、short、char、boolean：都以int型来保存
    byte i = 15;
    int j = 8;
    int k = i + j;
}

• 反编译得到字节码指令

 0 bipush 15
 2 istore_1
 3 bipush 8
 5 istore_2
 6 iload_1
 7 iload_2
 8 iadd
 9 istore_3
10 return

• 执行流程

1. 首先执行第一条语句，PC寄存器指向的是0，也就是指令地址为0，然后使用bipush让操作数15入操作数栈。

   
   image.png

2. 执行完后，让PC + 1，指向下一行代码，下一行代码就是将操作数栈的元素存储到局部变量表1的位置，我们可以看到局部变量表的已经增加了一个元素
   解释为什么局部变量表索引从 1 开始，因为该方法为实例方法，局部变量表索引为 0 的位置存放的是 this

   
   image.png

3. 然后PC+1，指向的是下一行。让操作数8也入栈，同时执行store操作，存入局部变量表中

   
   image.png
   image.png

4. 然后从局部变量表中，依次将数据放在操作数栈中，等待执行 add 操作

   
   image.png
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5. 然后将操作数栈中的两个元素执行相加操作，并存储在局部变量表3的位置

   
   image.png
   image.png
6. 疑问：byte入栈会转为int，为何图中为bipush。本地代码测试都为iconst。
7. i++ 与++i 操作数栈可明白其原理，若想深究请看原文。

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四、栈顶缓存技术Top Of Stack Cashing

1. 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）次数和内存读/写次数。
2. 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。
3. 寄存器的主要优点：指令更少，执行速度快