聲明：本文摘抄自《深入理解Java虛擬機》一書，本文完全為自我學習，請感興趣的同學購買正版，支持原創(chuàng)

運行時棧幀結(jié)構(gòu)

棧幀（Stack Frame）是用于支持虛擬機方法調(diào)用和方法執(zhí)行的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它是虛擬機運行時數(shù)據(jù)區(qū)中的虛擬機棧的棧元素。棧幀存儲了方法的局部變量，操作數(shù)棧，動態(tài)連接，方法返回地址和其他一些額外的附加信息。每一個方法的調(diào)用從開始到執(zhí)行結(jié)束的過程，都對應著一個棧幀在虛擬機棧中入棧和出棧的過程。

在編譯代碼的時候，棧幀需要多大的局部變量表，多深的操作數(shù)棧都已經(jīng)完全確定了，并且寫入到方法表的Code屬性之中。因此一個棧幀需要分配多少內(nèi)存，不會受到程序運行期間變量數(shù)據(jù)的影響，而僅僅取決于虛擬機的實現(xiàn)。

對于執(zhí)行引擎來說，在活動線程中，只有位于棧頂?shù)臈攀怯行У模Q為當前棧幀（Current Stack Frame），與這個棧幀相關聯(lián)的方法稱為當前方法（Current Method）。執(zhí)行引擎運行的所有字節(jié)碼指令都只針對當前棧幀進行操作。

典型的棧幀結(jié)構(gòu)如下圖：

典型的棧幀結(jié)構(gòu)

局部變量表

局部變量表（Local Variable Table）是一組變量值存儲空間，用于存放方法參數(shù)和方法內(nèi)部定義的局部變量。在編譯Class文件時，就在方法的Code屬性的max_locals數(shù)據(jù)項中已經(jīng)確定了該方法需要分配的局部變量表的最大容量。

局部變量的容量以變量槽（Variable Slot）為最小單位，虛擬機規(guī)范中并沒有明確指定一個Slot應占用的內(nèi)存空間大小。只是很有導向性的說到每個Slot都應該能存放一個boolean, byte, char, short, int, float, reference或returnAddress類型的數(shù)據(jù)。它允許Slot的長度可以隨著處理器，操作系統(tǒng)或虛擬機的不同而發(fā)生變化。Reference類型表示對一個對象實例的引用，虛擬機規(guī)范并沒有說明它的長度，也沒有明確指出這種引用應有怎樣的結(jié)構(gòu)。但一般來說，虛擬機實現(xiàn)至少可以通過這個引用做到兩點：一是從此引用直接或間接查詢到對象在Java堆中的數(shù)據(jù)存放的起始地址索引，二是從此引用直接或間接的查找到對象所屬的數(shù)據(jù)類型在方法區(qū)中的存儲的類型信息。returnAddress類型目前已經(jīng)很少見了，它是為字節(jié)碼指令jsr,jsr_w和ret服務的，指向了一條字節(jié)碼指令的地址，很古老的Java虛擬機曾經(jīng)使用這幾條指令來實現(xiàn)異常處理，現(xiàn)在已經(jīng)由異常表代替。

對于64位的數(shù)據(jù)類型，虛擬機會以高位對齊的方式為其分配兩個連續(xù)的Slot空間。Java語言中明確的64位的數(shù)據(jù)類型只有l(wèi)ong和double兩種。由于局部變量表建立在線程的堆棧上，是線程私有的數(shù)據(jù)，無論讀寫兩個連續(xù)的Slot是否為原子操作，都不會引起數(shù)據(jù)安全問題。

在方法執(zhí)行時，虛擬機是使用局部變量表完成參數(shù)值到參數(shù)變量列表的傳遞過程，如果執(zhí)行的是實例方法（非static方法），那局部變量表中第0為索引的Slot默認是用于傳遞方法所屬對象實例的引用，在方法中可以通過關鍵字“this”來訪問到這個隱含的參數(shù)。其余參數(shù)則按照參數(shù)表順序排列，占用從1開始的局部變量Slot，參數(shù)表分配完畢，再根據(jù)方法體內(nèi)部定義的變量順序和作用域分配其余的Slot。

為了盡可能節(jié)省棧幀空間，局部變量表的Slot是可以重用的，方法體中定義的變量，其作用域并不一定會覆蓋整個方法體，如果當前字節(jié)碼PC計數(shù)器的值已經(jīng)超出了某個變量的作用域，那這個變量對應的Slot就可以交給其他變量使用。不過，這樣的設計除了節(jié)省棧幀空間以外，還伴隨一些額外的副作用，例如：在某些情況下，Slot的復用會直接影響到系統(tǒng)的垃圾收集行為。

操作數(shù)棧

操作數(shù)棧（Operand Stack）是一個后入先出（Last In First Out, LIFO）棧。操作數(shù)棧的最大深度在編譯的時候已經(jīng)寫入到Code屬性的max_stacks數(shù)據(jù)項中。操作數(shù)棧中的元素可以是任意的Java數(shù)據(jù)類型，包括long和double。32位數(shù)據(jù)類型所占的棧容量為1，64位數(shù)據(jù)類型所占的棧容量為2。在方法執(zhí)行的時候，操作數(shù)棧的深度都不會超過max_stacks數(shù)據(jù)項中設定的最大值。

當一個方法剛開始執(zhí)行的時候，這個方法的操作數(shù)棧是空的，在方法執(zhí)行過程中，會有各種字節(jié)碼指令往操作數(shù)棧中寫入和讀取內(nèi)容。例如，整數(shù)加法的字節(jié)碼指令iadd在運行的時候操作數(shù)棧中最接近棧頂?shù)膬蓚€元素已經(jīng)存入了兩個int型的數(shù)值，當執(zhí)行這個指令的時候，會將這兩個數(shù)值出棧并相加，然后將相加的結(jié)果入棧。

操作數(shù)棧中的元素數(shù)據(jù)類型必須與字節(jié)碼指令的序列嚴格匹配，在編譯程序代碼的時候，編譯器要嚴格保證這一點，在類校驗階段的數(shù)據(jù)流分析中還要再次驗證這一點。再以上面的iadd指令為例，這個指令用于整型數(shù)加法，它在執(zhí)行時，最接近棧頂?shù)膬蓚€元素的數(shù)據(jù)類型必須為int型，不能出現(xiàn)一個為long和一個float使用iadd命令相加的情況。

動態(tài)連接

每個棧幀都包含一個指向運行時常量池中該棧幀所屬方法的引用，持有這個引用是為了支持方法調(diào)用過程中的動態(tài)鏈接（Dynamic Linking）。

方法返回地址

當一個方法開始執(zhí)行后，只有兩種方式可以退出該方法。第一種方式是執(zhí)行引擎遇到任意一個方法返回的字節(jié)碼指令，這時候可能會有返回值傳遞給上層的調(diào)用者，是否有返回值和返回值的類型將根據(jù)遇到何種方法返回指令來決定，這種退出方法的方式稱為正常完成出口（Normal Method Invocation Completion）。另一種退出方式是，在方法執(zhí)行過程中遇到異常，并且這個異常并沒有在方法體中得到處理，無論是Java虛擬機內(nèi)部產(chǎn)生的異常，還是代碼中使用athrow字節(jié)碼指令產(chǎn)生的異常，只要在本方法的異常表中沒有搜索到匹配的異常處理器，就會導致方法退出，這種退出方法的方式稱為異常完成出口（Abrupt Method Invocation Completion）。一個方使用異常完成出口的方式退出，是不會給他的上層調(diào)用者產(chǎn)生任何返回值的。