虚拟机栈(操作数栈)

1,014 阅读3分钟

持续创作,加速成长!这是我参与「掘金日新计划 · 10 月更文挑战」的第6天,点击查看活动详情

操作数栈

操作数栈的特点

  1. 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)
  2. 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

  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。

  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。只不过操作数栈是用数组这个结构来实现的而已

  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

栈顶缓存技术

栈顶缓存技术:Top Of Stack Cashing

  1. 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。
  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,但是指令集(也就是指令种类)很多