从零开始学习JVM（三）--运行时数据区（程序计数器，虚拟机栈，本地方法栈）

1. 运行时数据区

1.1 基本介绍

内存是非常重要的系统资源，是硬盘和CPU的中间仓库及桥梁，承载着操作系统和应用程序的实时运行。我们通过磁盘或者网络IO得到的数据，都需要先加载到内存中，然后CPU从内存中获取数据进行读取。

JVM内存布局规定了Java在运行过程中内存申请、分配、管理的策略，保证了JVM的高效稳定运行。不同的JVM对于内存的划分方式和管理机制存在着部分差异。结合JVM虚拟机规范，来探讨一下经典的JVM内存布局。

Java虚拟机定义了若干种程序运行期间会使用到的运行时数据区，其中有一些会随着虚拟机启动而创建，随着虚拟机退出而销毁。另外一些则是与线程一一对应的，这些与线程对应的数据区域会随着线程的开始和结束而创建和销毁。

灰色的为单独线程私有的，红色的为多个线程共享的，即:

• 每个线程：独立包括程序计数器，虚拟机栈，本地方法栈
• 线程间共享：堆、堆外内存（永久代或元空间、代码缓存）

1.2 线程

线程是一个程序里的运行单元，JVM允许一个应用有多个线程并行的执行。

在Hotspot JVM里，每个线程都与操作系统的本地线程直接映射。当一个Java线程准备好执行以后，此时一个操作系统的本地线程也同时创建。Java线程执行终止后，本地线程也会回收。操作系统负责所有线程的安排调度到任何一个可用的CPU上。一旦本地线程初始化成功，它就会调用Java线程中的run方法。

如果你使用jconsole或者是任何一个调试工具，都能看到在后台有许多线程在运行。这些后台线程不包括调用public static void main(String[] args)的main线程以及所有这个main线程自己创建的线程。这些主要的后台系统线程在Hotspot JVM里主要是以下几个：

• 虚拟机线程：这种线程的操作是需要JVM达到安全点才会出现。这些操作必须在不同的线程中发生的原因是他们都需要JVM达到安全点，这样堆才不会变化。这种线程的执行类型包括"stop-the-world"的垃圾收集，线程栈收集，线程挂起以及偏向锁撤销。
• 周期任务线程：这种线程是时间周期事件的体现（比如中断），他们一般用于周期性操作的调度执行。
• GC线程：这种线程对在JVM里不同种类的垃圾收集行为提供了支持。
• 编译线程：这种线程在运行时会将字节码编译成到本地代码。
• 信号调度线程：这种线程接收信号并发送给JVM，在它内部通过调用适当的方法进行处理。

2. 程序计数器

2.1 基本介绍

JVM中的程序计数寄存器（Program Counter Register）中， Register的命名源于CPU的寄存器，寄存器存储指令相关的现场信息。CPU只有把数据装载到寄存器才能够运行。JVM的程序计数器不是广义上所指的物理寄存器，JVM中的PC寄存器是对物理PC寄存器的一种抽象模拟。

PC寄存器是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程回复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令。

PC寄存器是一块很小的内存空间，几乎可以忽略不计。也是运行速度最快的存储区域。它是唯一一个在Java虚拟机规范中规定不会出现任何内存溢出的区域。在JVM规范中，每个线程都有它自己的程序计数器，是线程私有的，生命周期与线程的生命周期保持一致。

任何时间一个线程都只有一个方法在执行，也就是所谓的当前方法。程序计数器会存储当前线程正在执行的Java方法的JVM指令地址，如果是在执行native方法，则是未指定值（undefined）。

PC寄存器（程序计数器）的作用：PC寄存器用来存储指向下一条指令的地址，也是即将要执行的指令代码。由执行引擎读取下一条指令 。

举例说明：

public class PCRegisterTest {
    
    

    public static void main(String[] args) {
    
    
        int i = 10;
        int j = 20;
        int k = i + j;

        String s = "abc";
        System.out.println(i);
        System.out.println(k);

    }
}

执行命令反编译字节码文件

javap -verbose PCRegisterTest.class

PC寄存器存储的就是如下的指令地址，由执行引擎来读取PC寄存器指令地址获取对应的操作指令并执行。

使用PC寄存器存储字节码指令地址有什么用呢？为什么使用PC寄存器记录当前线程的执行地址呢？
答：因为CPU需要不停的切换各个线程，这时候切换回来以后，就得知道接着从哪开始继续执行。JVM的字节码解释器就需要通过改变PC寄存器的值来明确下一条应该执行什么样的字节码指令。

PC寄存器为什么会被设定为线程私有的？

我们都知道所谓的多线程在一个特定的时间段内只会执行其中某一个线程的方法，CPU会不停地做任务切换，这样必然导致经常中断或恢复，如何保证分毫无差呢？为了能够准确地记录各个线程正在执行的当前字节码指令地址，最好的办法自然是为每一个线程都分配一个PC寄存器，这样一来各个线程之间便可以进行独立计算，从而不会出现相互干扰的情况。

由于CPU时间片轮限制，众多线程在并发执行过程中，任何一个确定的时刻，一个处理器或者多核处理器中的一个内核，只会执行某个线程中的一条指令。

这样必然导致经常中断或恢复，如何保证分毫无差呢？每个线程在创建后，都会产生自己的程序计数器和栈帧，程序计数器在各个线程之间互不影响。

CPU时间片
关于CPU时间片的概念如下：

3. 虚拟机栈

3.1 概述

由于跨平台性的涉及，Java的指令都是根据栈来设计的，不同平台CPU架构不同，所以不能设计为基于寄存器的。优点是跨平台，指令集小，编译器容易实现，缺点是性能下降，实现同样的功能需要更多的指令。

Java虚拟机栈，早期也叫Java栈。每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈，其内部保存一个个的栈帧，对应着一次次的Java方法调用，虚拟机栈是线程私有的，生命周期和线程一致，其作用是主管Java程序的运行，它保存方法的局部变量（8种基本数据类型，对象的引用地址）、部分结果，并参与方法的调用和返回。

虚拟机栈的特点：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，对于栈来说不存在垃圾回收问题。JVM直接对Java栈的操作只有两个：

• 每个方法执行，伴随着进栈（入栈、压栈）
• 执行结束后的出栈工作。

栈可能出现的异常有：
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。
• 如果Java虚拟机栈可以动态扩展，并且在尝试扩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。

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。默认的单位是字节，如果使用k或K则是KB，如果是使用m或M则是MB，如果是g或G使用的是GB。各操作系统下默认的线程最大栈空间大小：

• Linux/x64 (64-bit): 1024 KB
• macOS (64-bit): 1024 KB
• Oracle Solaris/x64 (64-bit): 1024 KB
• Windows: The default value depends on virtual memory

使用不同单位设置线程栈空间大小为1024KB，示例：

-Xss1m
-Xss1024k
-Xss1048576

3.2 栈的存储单位

每个线程都有自己的栈，栈中的数据都是以栈帧的格式存在。在这个线程上正在执行的每个方法都各自对应一个栈帧（Stack Frame）.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。

3.3 栈运行原理

JVM直接对Java栈的操作只有两个，就是对栈帧的压栈和出栈，遵循“先进后出”或“后进先出”原则。

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，与当前栈帧相对应的方法就是当前方法，定义这个方法的类就是当前类。

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。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。

不同线程中所包含的栈帧是不允许存在相互引用的，即不可能在一个栈帧之中引用另外一个线程的栈帧。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。

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。

例如：

public class StackFrameTest {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        try {
    
    
            StackFrameTest test = new StackFrameTest();
            test.method1();

        } catch (Exception e) {
    
    
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("main()正常结束");

    }

    public void method1(){
    
    
        System.out.println("method1()开始执行...");
        method2();
        System.out.println("method1()执行结束...");
}

    public int method2() {
    
    
        System.out.println("method2()开始执行...");
        int i = 10;
        int m = (int) method3();
        System.out.println("method2()即将结束...");
        return i + m;
    }

    public double method3() {
    
    
        System.out.println("method3()开始执行...");
        double j = 20.0;
        System.out.println("method3()即将结束...");
        return j;
    }

}

通过idea的调试模式的方法调用栏查看栈运行情况。

3.4 栈帧的内部结构

每个栈帧中存储着：

• 局部变量表（Local Variables）
• 操作数栈（Operand Stack）（或叫表达式栈）
• 动态链接（Dynamic Linking）（或指向运行时常量池的方法引用）
• 方法返回地址（Return Address）（或方法正常退出或者异常退出的定义）
• 一些附加信息

并行每个线程下的栈都是私有的，因此每个线程都有自己各自的栈，并且每个栈里面都有很多栈帧，栈帧的大小主要由局部变量表 和 操作数栈决定的。

3.4.1 局部变量表

（1）基本介绍
局部变量表也被称为局部变量数组或本地变量表。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，以及返回地址returnAddress类型。

由于局部变量表是建立在线程的栈上，是线程的私有数据，因此不存在数据安全问题。

局部变量表所需的容量大小是在编译期确定的，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。

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，它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，导致其嵌套调用次数就会减少。

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。

例如：

public class LocalVariablesTest {
    
    
    private int count = 0;

    public static void main(String[] args) {
    
    
        LocalVariablesTest test = new LocalVariablesTest();
        int num = 10;
        test.test1();
    }
}

上面代码对于的局部变量表如下图：

（2）关于Slot的理解
参数值的存放总是在局部变量数组的index0开始，到数组长度-1的索引结束。局部变量表，最基本的存储单元是Slot（变量槽），局部变量表中存放编译器可知的各种基本数据类型（8种），引用类型（reference），returnAddress类型的变量。

在局部变量表里，32位以内的类型只占用一个slot（包括returnAddress类型），64位的类型（long和double）占用两个slot。

• byte、short、char在存储前被转换为int，boolean也被转换为int，0表示false，非0表示true。
• long和double则占据两个Slot。

JVM会为局部变量表中的每一个Slot都分配一个访问索引，通过这个索引即可成功访问到局部变量表中指定的局部变量值。

当一个实例方法被调用的时候，它的方法参数和方法体内部定义的局部变量将会按照顺序被复制到局部变量表中的每一个Slot上。如果需要访问局部变量表中一个64位的局部变量值时，只需要访问前一个索引即可。（比如：访问long或double类型变量）。

如果当前栈是由构造方法或者实例方法创建的，那么该对象引用this将会存放在index为0的slot处，其余的参数按照参数表顺序继续排列。（这就是为什么在静态方法中不能使用this关键字，因为静态方法中this变量没有保存到局部变量表中。）

（3）Slot的重复利用
栈帧中的局部变量表中的槽位是可以重用的，如果一个局部变量过了其作用域，那么在其作用域之后申明的新的局部变量就很有可能会复用过期局部变量的槽位，从而达到节省资源的目的。

public class SlotTest {
    
    

    public void localVar1() {
    
    
        int a = 0;
        System.out.println(a);
        int b = 0;
    }

    public void localVar2() {
    
    
        {
    
    
            int a = 0;
            System.out.println(a);
        }
       //此时的b就会复用a的槽位
        int b = 0;
    }
}

localVar2方法中a变量的作用域仅在实例代码块中，所以变量b定义在其作用域外，这个局部变量复用了过期的局部变量的槽位。

（4）成员变量与局部变量的对比
成员变量根据在类中声明的位置分为成员变量和局部变量， 成员变量在使用前都默认初始化赋值。成员变量分为类变量和实例变量。

• 类变量：linking的prepare阶段给类变量默认赋值，初始化阶段，给类变量显式赋值
• 实例变量：随着对象的创建，会在堆空间中分配实例变量空间，并进行默认赋值

对于局部变量，在使用前，必须要进行显式赋值的，否则，编译不通过。

补充说明：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来完成方法的传递。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。

3.4.2 操作数栈

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
  

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，这个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max_stack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

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

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。

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

使用javap命令反编译class文件：javap -v 类名.class

在JVM层面，关于虚拟机栈中具体的代码执行流程如下：

栈顶缓存技术
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）次数和内存读/写次数。

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。

3.4.3 动态链接

动态链接Dynamic Linking，又可以叫指向运行时常量池的方法引用。

每一个栈帧内部都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用。包含这个引用的目的就是为了支持当前方法的代码能够实现动态链接（Dynamic Linking）。比如：invokedynamic指令

在Java源文件被编译到字节码文件中时，所有的变量和方法引用都作为符号引用（Symbolic Reference）保存在class文件的常量池里。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转换为调用方法的直接引用。

运行时常量池的作用是用于提供一些符号和常量，便于指令的识别。

3.4.4 方法的调用

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。

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，这种情况下降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

动态链接

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将调用的方法的符号转换为直接引用，由于这种引用转换过程具备动态性，因此也被称之为动态链接。

静态链接和动态链接不是名词，而是动词，这是理解的关键。

对应的方法的绑定机制为：早期绑定和晚期绑定。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。

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。

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。

随着高级语言的横空出世，类似于Java一样的基于面向对象的编程语言如今越来越多，尽管这类编程语言在语法风格上存在一定的差别，但是它们彼此之间始终保持着一个共性，那就是都支持封装、继承和多态等面向对象特性，既然这一类的编程语言具备多态特悄，那么自然也就具备早期绑定和晚期绑定两种绑定方式。

Java中任何一个普通的方法其实都具备虚函数的特征，它们相当于C语言中的虚函数（C中则需要使用关键字virtual来显式定义）。如果在Java程序中不希望某个方法拥有虚函数的特征时，则可以使用关键字final来标记这个方法。

（1）虚方法与非虚方法
如果方法在编译器就确定了具体的调用版本，这个版本在运行时是不可变的。这样的方法称为非虚方法。

静态方法、私有方法、final方法、实例构造器、父类方法都是非虚方法。其他方法称为虚方法。

子类对象的多态性的使用前提：1.类的继承关系 2.方法的重写

虚拟机中提供了以下几条方法调用指令：

普通调用指令：

• invokestatic：调用静态方法，解析阶段确定唯一方法版本
• invokespecial：调用方法、私有及父类方法，解析阶段确定唯一方法版本
• invokevirtual：调用所有虚方法
• invokeinterface：调用接口方法

动态调用指令：

• invokedynamic：动态解析出需要调用的方法，然后执行

前四条指令固化在虚拟机内部，方法的调用执行不可人为干预，而invokedynamic指令则支持由用户确定方法版本。其中invokestatic指令和invokespecial指令调用的方法称为非虚方法，其余的（final关键字修饰的除外）称为虚方法。

区分虚方法和非虚方法的代码示例：

public class VirtualMethodTest {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    

        Son.print("hi");
    }
}
class Father {
    
    

    public Father(){
    
    
        System.out.println("father的构造器");
    }

    public static void showStatic(String str){
    
    
        System.out.println("father static "+str);
    }

    public final void showFinal(){
    
    
        System.out.println("father show final");
    }

    public void showCommon(){
    
    
        System.out.println("father 普通方法");
    }


    public static void print(String str) {
    
    
        System.out.println("father:"+str);
    }

    private void show(String str) {
    
    
        System.out.println("father:"+str);
    }
}
class Son extends Father{
    
    

    public Son(){
    
    
        super();
    }

    public Son(int age){
    
    
        this();
    }

    public static void showStatic(String str){
    
    
        System.out.println("son static "+str);
    }

    private void showPrivate(String str) {
    
    
        System.out.println("son:"+str);
    }


    public void show(String str) {
    
    
        //invokestatic
        showStatic("aa");
        //invokestatic
        Father.showStatic("bb");
        //invokespecial
        showPrivate("hi");
        //invokespecial
        super.showCommon();
        //invokevirtual
        showFinal();
        //invokevirtual
        showCommon();
        //invokevirtual
        info();

        MethodInterface in = null;
        //invokeinterface
        in.methodA();
    }

    public void info(){
    
    

    }

    public static void main(String[] args) {
    
    
        Son son = new Son();
        son.show("321");
    }
}
interface MethodInterface{
    
    

    void methodA();
}

Son类对应的show方法的字节码指令如下：

（2）关于invokedynamic指令

• JVM字节码指令集一直比较稳定，一直到Java7中才增加了一个invokedynamic指令，这是Java == 为了实现「动态类型语言」支持而做的一种改进==。
• 但是在Java7中并没有提供直接生成invokedynamic指令的方法，需要借助ASM这种底层字节码工具来产生invokedynamic指令。直到Java8的Lambda表达式的出现，invokedynamic指令的生成，在Java中才有了直接的生成方式。
• Java7中增加的动态语言类型支持的本质是对Java虚拟机规范的修改，而不是对Java语言规则的修改，这一块相对来讲比较复杂，增加了虚拟机中的方法调用，最直接的受益者就是运行在Java平台的动态语言的编译器。
  动态类型语言和静态类型语言的区别：
  动态类型语言和静态类型语言两者的区别就在于对类型的检查是在编译期还是在运行期，满足前者就是静态类型语言，反之是动态类型语言。

说的再直白一点就是，静态类型语言是判断变量自身的类型信息；动态类型语言是判断变量值的类型信息，变量没有类型信息，变量值才有类型信息，这是动态语言的一个重要特征。

使用Lambda表达式查看生成的字节码指令，是否使用到了invokedynamic指令，代码示例：

public class LambdaTest {
    
    
    public void lambda(Func func){
    
    
        return;
    }

    public static void main(String[] args) {
    
    
        LambdaTest lambdaTest = new LambdaTest();
        Func func=s->true;
        lambdaTest.lambda(func);
        lambdaTest.lambda(s->true);
    }
}

@FunctionalInterface
interface Func{
    
    
    public boolean func(String str);
}

对应的字节码指令如下：

（3）方法重写的本质

1. 找到操作数栈顶的第一个元素所执行的对象的实际类型，记作C。
2. 如果在类型C中找到与常量中的描述符合简单名称都相符的方法，则进行访问权限校验，如果通过则返回这个方法的直接引用，查找过程结束；如果不通过，则返回java.lang.IllegalAccessError 异常。
3. 否则，按照继承关系从下往上依次对C的各个父类进行第2步的搜索和验证过程。
4. 如果始终没有找到合适的方法，则抛出java.lang.AbstractMethodsrror异常。

IllegalAccessError介绍

程序试图访问或修改一个属性或调用一个方法，这个属性或方法，你没有权限访问。一般的，这个会引起编译器异常。这个错误如果发生在运行时，就说明一个类发生了不兼容的改变。

（4）虚方法表
在面向对象的编程中，会很频繁的使用到动态分派，如果在每次动态分派的过程中都要重新在类的方法元数据中搜索合适的目标的话就可能影响到执行效率。因此，为了提高性能，JVM采用在类的方法区建立一个虚方法表 （virtual method table）（非虚方法不会出现在表中）来实现。使用索引表来代替查找。

每个类中都有一个虚方法表，表中存放着各个方法的实际入口。虚方法表会在类加载的链接阶段被创建并开始初始化，类的变量初始值准备完成之后，JVM会把该类的方法表也初始化完毕。

举例1：

举例2：

interface Friendly{
    
    
    void sayHello();
    void sayGoodbye(); 
}
class Dog{
    
    
    public void sayHello(){
    
    
    }
    public String tostring(){
    
    
        return "Dog";
    }
}
class Cat implements Friendly {
    
    
    public void eat() {
    
    
    }
    public void sayHello() {
    
     
    } 
    public void sayGoodbye() {
    
    
    }
    protected void finalize() {
    
    
    }
}
class CockerSpaniel extends Dog implements Friendly{
    
    
    public void sayHello() {
    
     
        super.sayHello();
    }
    public void sayGoodbye() {
    
    
    }
}

3.4.5 方法返回地址

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。而通过异常退出的，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。

当一个方法开始执行后，只有两种方式可以退出这个方法：

1. 执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令（return），会有返回值传递给上层的方法调用者，简称正常完成出口；

• 一个方法在正常调用完成之后，究竟需要使用哪一个返回指令，还需要根据方法返回值的实际数据类型而定。
• 在字节码指令中，返回指令包含ireturn（当返回值是boolean，byte，char，short和int类型时使用），lreturn（Long类型），freturn（Float类型），dreturn（Double类型），areturn。另外还有一个return指令声明为void的方法，实例初始化方法，类和接口的初始化方法使用。

2. 在方法执行过程中遇到异常（Exception），并且这个异常没有在方法内进行处理，也就是只要在本方法的异常表中没有搜索到匹配的异常处理器，就会导致方法退出，简称异常完成出口。

方法执行过程中，抛出异常时的异常处理，存储在一个异常处理表，方便在发生异常的时候找到处理异常的代码

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、将返回值压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。

3.4.6 一些附加信息

栈帧中还允许携带与Java虚拟机实现相关的一些附加信息。例如，对程序调试提供支持的信息。

4. 本地方法栈

Java虚拟机栈用于管理Java方法的调用，而本地方法栈用于管理本地方法的调用。那么我们首先来看下什么是本地方法和为什么使用本地方法。

4.1 本地方法

简单地讲，一个Native Method是一个Java调用非Java代码的接囗。一个Native Method是这样一个Java方法：该方法的实现由非Java语言实现，比如C。这个特征并非Java所特有，很多其它的编程语言都有这一机制，比如在C中，你可以用extern “c” 告知c编译器去调用一个c的函数。

A native method is a Java method whose implementation is provided by
non-java code.

在定义一个native method时，并不提供实现体（有些像定义一个Java interface），因为其实现体是由非java语言在外面实现的。

本地接口的作用是融合不同的编程语言为Java所用，它的初衷是融合C/C++程序。

Thread类中的本地方法举例：

标识符native可以与除了abstract外的Java标识符连用。

public class IHaveNatives{
    
    
    public native void methodNative1(int x);
    public native static long methodNative2();
    private native synchronized float methodNative3(Object o);
    native void methodNative4(int[] ary) throws Exception;
}

4.2 为什么使用Native Method？

Java使用起来非常方便，然而有些层次的任务用Java实现起来不容易，或者我们对程序的效率很在意时，问题就来了。

• 与Java环境的交互

有时Java应用需要与Java外面的环境交互，这是本地方法存在的主要原因。你可以想想Java需要与一些底层系统，如操作系统或某些硬件交换信息时的情况。本地方法正是这样一种交流机制：它为我们提供了一个非常简洁的接口，而且我们无需去了解Java应用之外的繁琐的细节。

• 与操作系统的交互

JVM支持着Java语言本身和运行时库，它是Java程序赖以生存的平台，它由一个解释器（解释字节码）和一些连接到本地代码的库组成。然而不管怎样，它毕竟不是一个完整的系统，它经常依赖于一底层系统的支持。这些底层系统常常是强大的操作系统。通过使用本地方法，我们得以用Java实现了jre的与底层系统的交互，甚至JVM的一些部分就是用c写的。还有，如果我们要使用一些Java语言本身没有提供封装的操作系统的特性时，我们也需要使用本地方法。

• Sun’s Java

Sun的解释器是用C实现的，这使得它能像一些普通的C一样与外部交互。jre大部分是用Java实现的，它也通过一些本地方法与外界交互。例如：类java.lang.Thread的setPriority()方法是用Java实现的，但是它实现调用的是该类里的本地方法setPriority()。这个本地方法是用C实现的，并被植入JVM内部，在Windows 95的平台上，这个本地方法最终将调用Win32 setPriority() ApI。这是一个本地方法的具体实现由JVM直接提供，更多的情况是本地方法由外部的动态链接库（external dynamic link library）提供，然后被JVw调用。

• 现状

目前该方法使用的越来越少了，除非是与硬件有关的应用，比如通过Java程序驱动打印机或者Java系统管理生产设备，在企业级应用中已经比较少见。因为现在的异构领域间的通信很发达，比如可以使用Socket通信，也可以使用Web Service等等，不多做介绍。

4.3 本地方法栈

Java虚拟机栈用于管理Java方法的调用，而本地方法栈用于管理本地方法的调用。本地方法栈，也是线程私有的。允许被实现成固定或者是可动态扩展的内存大小。（在内存溢出方面是相同的）

• 如果线程请求分配的栈容量超过本地方法栈允许的最大容量，Java虚拟机将会抛出一个StackOverflowError 异常。
• 如果本地方法栈可以动态扩展，并且在尝试扩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本地方法栈，那么Java虚拟机将会抛出一个OutOfMemoryError异常。

本地方法是使用C语言实现的。

它的具体做法是Native Method Stack本地方法栈中登记native方法，在Execution Engine 执行引擎执行时加载本地方法库。
JDK1.7的HotSpot虚拟机的架构图如下：

当某个线程调用一个本地方法时，它就进入了一个全新的并且不再受虚拟机限制的世界。它和虚拟机拥有同样的权限。

• 本地方法可以通过本地方法接口来访问虚拟机内部的运行时数据区。
• 它甚至可以直接使用本地处理器中的寄存器
• 直接从本地内存的堆中分配任意数量的内存。

并不是所有的JVM都支持本地方法。因为Java虚拟机规范并没有明确要求本地方法栈的使用语言、具体实现方式、数据结构等。如果JVM产品不打算支持native方法，也可以无需实现本地方法栈。在Hotspot JVM中，直接将本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

笔记总结自视频教程：尚硅谷宋红康JVM全套教程（详解java虚拟机）
参考：
1.《深入理解Java虚拟机》第2版