Java虚拟机栈
虚拟机栈的背景
我们知道Java时跨平台的语言，所以基于此Java的指令都是根据栈来设计的，因为不同平台CPU架构不同，所以不能设计为基于寄存器。
基于栈设计的优点：跨平台，指令小，编译容易实现，
缺点：性能下降
Java虚拟机栈的特点
1、Java虚拟机栈，也叫栈，每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈，其内部保存了一个个的栈帧，对应一次次的java方法调用。
2、线程私有的
3、生命周期和线程一致
4、栈是一种快速有效的分配存储方式，访问速度仅次于程序计数器
5、保存方法的局部变量，8种基本类型，对象的引用地址、部分结构，并参与方法的调用和返回。
6、JVM对栈的操作只有方法执行时的进栈和出栈
6、栈不存在垃圾回收，但存在OOM异常
栈帧
栈帧的内部结构
1.局部变量表（Local Variables）
2.操作数栈（Operand Stack）(或表达式栈)
3.动态链接（Dynamic Linking）(或执行"运行时常量池"的方法引用)
4.方法返回地址（Return Adress）（或方法正常退出或者异常退出的定义）
5.一些附加信息（对程序调试提供支持的信息）
局部变量表（Local Variables）
1.局部变量表也被称之为局部变量数组或本地变量表
2.定义为一个数字数组，主要用于存储方法参数和定义在方法体内的局部变量这些数据类型包括各类基本数据类型、对象引用（reference），以及returnAddressleixing
3.由于局部变量表是建立在线程的栈上，是线程私有的数据，因此不存在数据安全问题
4.局部变量表所需的容量大小是在编译期确定下来的,并保存在方法的Code属性的maximum local variables数据项中。在方法运行期间是不会改变局部变量表的大小的
5.方法嵌套调用的次数由栈的大小决定。一般来说，栈越大，方法嵌套调用次数越多。对一个函数而言，他的参数和局部变量越多，使得局部变量表膨胀，它的栈帧就越大，以满足方法调用所需传递的信息增大的需求。进而函数调用就会占用更多的栈空间。
6.局部变量表中的变量只在当前方法调用中有效。在方法执行时，虚拟机通过使用局部变量表完成参数值到参数变量列表的传递过程。当方法调用结束后，随着方法栈帧的销毁，局部变量表也会随之销毁。
静态变量与局部变量的对比及小结
变量的分类：
按照数据类型分： ①基本数据类型; ②引用数据类型；
按照在类中声明的位置分： ①成员变量：在使用前，都经历过默认初始化赋值
static修饰：类变量：类加载链接的准备preparation阶段给类变量默认赋0值——>初始化阶段initialization给类变量显式赋值即静态代码块赋值；
不被static修饰：实例变量：随着对象的创建，会在堆空间分配实例变量空间，并进行默认赋值
②局部变量：在使用前，必须要进行显式赋值的！否则，编译不通过
在栈帧中，与性能调优关系最为密切的部分就是局部变量表。在方法执行时，虚拟机使用局部变量表完成方法的传递
局部变量表中的变量也是重要的垃圾回收根节点，只要被局部变量表中直接或间接引用的对象都不会被回收
操作数栈（Operand Stack）
也可以称为表达式栈
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）或出栈（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，使用他们后再把结果压入栈。（如字节码指令bipush操作）
比如：执行复制、交换、求和等操作
动态链接（Dynamic Linking）
-
1.运行时常量池位于方法区（注意： JDK1.7 及之后版本的 JVM 已经将运行时常量池从方法区中移了出来，在 Java 堆（Heap）中开辟了一块区域存放运行时常量池。）
字节码中的常量池结构如下：
为什么需要常量池呢？
·常量池的作用，就是为了提供一些符号和常量，便于指令的识别。 -
在Java源文件被编译成字节码文件中时，所有的变量和方法引用都作为符号引用（symbolic Refenrence）保存在class字节码文件（javap反编译查看）的常量池里。比如：描述一个方法调用了另外的其他方法时，就是通过常量池中指向方法的符号引用来表示的，那么动态链接的作用就是为了将这些符号引用（#）最终转换为调用方法的直接引用。
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在JVM中，将符号引用转换为调用方法的直接引用与方法的绑定机制相关
1.静态链接
当一个 字节码文件被装载进JVM内部时，如果被调用的目标方法在编译期可知，且运行期保持不变时。这种情况下将调用方法的符号引用转换为直接引用的过程称之为静态链接。
2.动态链接
如果被调用的方法在编译期无法被确定下来，也就是说，只能够在程序运行期将调用方法的符号引用转换为直接引用，由于这种引用转换过程具备动态性，因此也就被称之为动态链接。
对应的方法的绑定机制为：早起绑定（Early Binding）和晚期绑定（Late Bingding）。绑定是一个字段、方法或者类在符号引用被替换为直接引用的过程，这仅仅发生一次。
3.早期绑定
早期绑定就是指被调用的目标方法如果在编译期可知，且运行期保持不变时，即可将这个方法与所属的类型进行绑定，这样一来，由于明确了被调用的目标方法究竟是哪一个，因此也就可以使用静态链接的方式将符号引用转换为直接引用。
4.晚期绑定
如果被调用的方法在编译期无法被确定下来，只能够在程序运行期根据实际的类型绑定相关的方法，这种绑定方式也就被称之为晚期绑定。
方法返回地址（Return Address）
- 存放调用该方法的PC寄存器的值。
- 一个方法的结束，有两种方式：
正常执行完成
出现未处理的异常，非正常退出 - 无论通过哪种方式退出，在方法退出后都返回到该方法被调用的位置。方法正常退出时，调用者（方法的调用者可能也是一个方法）的pc计数器的值作为返回地址，即调用该方法的指令的下一条指令的地址。而通过异常退出时，返回地址是要通过异常表来确定，栈帧中一般不会保存这部分信息。
- 本质上，方法的退出就是当前栈帧出栈的过程。此时，需要恢复上层方法的局部变量表、操作数栈、将返回值入调用者栈帧的操作数栈、设置PC寄存器值等，让调用者方法继续执行下去。
- 正常完成出口和异常完成出口的区别在于：通过异常完成出口退出的不会给他的上层调用者产生任何的返回值
栈帧当中的一些附加信息
栈中可能出现的异常
java虚拟机规范允许Java栈的大小是动态的或者是固定不变的
- 如果java虚拟机栈可以动态拓展，并且在尝试拓展的时候无法申请到足够的内存，或者在创建新的线程时没有足够的内存去创建对应的虚拟机栈那java虚拟机将会抛出一个OutOfMemoryError异常
- 如果采用固定大小的Java虚拟机栈，那每一个线程的java虚拟机栈容量可以在线程创建的时候独立选定。如果线程请求分配的栈容量超过java虚拟机栈允许的最大容量，java虚拟机将会抛出一个 StackOverFlowError异常
设置栈的内存大小
我们可以使用参数-Xss选项来设置线程的最大栈空间，栈的大小直接决定了函数调用的最大可达深度。 （IDEA设置方法：Run-EditConfigurations-VM options 填入指定栈的大小-Xss256k，如下图）
java虚拟机栈的存储结构和运行原理
1、每个线程都有自己的栈，栈中的数据都是以栈帧（Stack Frame）的格式存在的
2、在这个线程上正在执行的每个方法都对应各自的一个栈帧（调用方法就是在栈中创建一个栈帧栈帧入栈，方法运行结束栈帧出栈）
3、栈帧是一个内存区块，是一个数据集，维系着方法执行过程中的各种数据信息
4、在一条活动线程中，一个时间点上，只会有一个活动的栈帧。即只有当前正在执行的方法的栈帧（栈顶栈帧）是有效的，这个栈帧被称为当前栈帧(Current Frame),与当前栈帧对应的方法就是当前方法（Current Frame）
5、执行引擎运行的所有字节码指令只针对当前栈帧进行操作
6、如果在该方法中调用了其他方法，对应的新的栈帧会被创建出来，
放在栈的顶端，成为新的当前栈帧。
7、不同线程中所包含的栈帧是不允许相互引用的，即不可能在另一个栈帧中引用另外一个线程的栈帧
8、如果当前方法调用了其他方法，方法返回之际，当前栈帧会传回此方法的执行结果给前一个栈帧，接着，虚拟机会丢弃当前栈帧，使得前一个栈帧重新成为当前栈帧
9、Java方法有两种返回函数的方式，一种是正常的函数返回，使用return指令；另外一种是抛出异常。不管使用哪种方式，都会导致栈帧被弹出。
虚拟机栈的相关面试题
1.举例栈溢出的情况？（StackOverflowError）
递归调用等，通过-Xss设置栈的大小；
2.调整栈的大小，就能保证不出现溢出么？
不能 如递归无限次数肯定会溢出，调整栈大小只能保证溢出的时间晚一些，极限情况会导致OOM内存溢出（Out Of Memery Error）注意是Error
3.分配的栈内存越大越好么？
不是 会挤占其他线程的空间
4.垃圾回收是否会涉及到虚拟机栈？
不会
5.方法中定义的局部变量是否线程安全？
这个问题具体情况具体分析
首先要了解线程安全问题：
①单线程情况下不会存在线程安全
②多线程情况下如果有多个线程操作此数据，则此数据是共享数据。如果不考虑同步机制的话，会存在线程安全问题