JVM 运行时栈帧结构

JVM 运行时栈帧结构

Orange Summer

2023 年 03 月 26 日

546 次浏览

暂无评论

2558字数

技术

Java 虚拟机以方法作为最基本的执行单位，栈帧支持着方法调用和方法执行，是虚拟机栈的栈元素，虚拟机栈在下面这篇文章中已经介绍过：

JVM 内存区域

运行时数据区域程序计数器当前线程所执行的字节码的行号指示器线程私有，每条线程拥有一个独立的程序计数器，独立存储如果...

栈帧的结构如下图：

栈帧的概念结构

局部变量表

作用

局部变量表是一组变量值的存储空间，存放方法参数和方法内部定义的局部变量。在编译的时候该方法的局部变量表的最大容量已经确定。

存放的数据类型

局部变量表存放了编译期可知的各种 Java 虚拟机基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用（reference类型，可能是一个指向对象的直接指针，也可能指向一个代表对象的句柄）和 returnAddress 类型（指向了一条字节码指令的地址）。

存储空间

局部变量表的存储空间以局部变量槽(Slot)为最小单位，其中64位长度的 long 和 double 类型的数据会占用两个变量槽，其余的数据类型只占用一个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在栈帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小，这里指变量槽的数量不变，但虚拟机真正使用多大的内存空间（譬如1个变量槽占用32个bit、64个bit或者更多）来实现一个变量槽，这是由具体的虚拟机实现自行决定的。

方法调用时的空间分配

当一个方法被调用时，Java 虚拟机会使用局部变量表来完成参数值到参数变量列表的传递过程，即实参到形参的传递。如果执行的是实例方法（没有被 static 修饰的方法），那局部变量表中第0位索引的变量槽默认用于传递方法所属对象实例的引用，在方法中可以通过关键字this来访问到这个隐含的参数。其余参数则按照参数表顺序排列，占用从1开始的局部变量槽，参数表分配完毕后，再根据方法体内部定义的变量顺序和作用域分配其余的变量槽。

变量槽的复用

局部变量表中的变量槽是可以复用的，如果当前字节码 PC 计数器的值超过了某个变量的作用域，那这个变量的变量槽就可给其他的变量复用。这样设计可以节省栈帧空间，但可能会影响系统的垃圾收集行为。例子如下：

public static void main(String[] args){
    byte[] placeholder = new byte[64*1024*1024];
    System.gc();
}

上述代码向内存填充了64MB的数据，然后进行垃圾收集，执行代码会发现没有回收掉这64MB内存，因为执行 gc 时变量placeholder还处于作用域之内。

public static void main(String[] args){
    {
        byte[] placeholder = new byte[64*1024*1024];
    }
    System.gc();
}

上述代码placeholder的作用域被限制在花括号之内，从代码逻辑上讲，在执行 gc 时placeholder已经不能再被访问了，但执行代码发现这64MB内存还是没有被回收，原因看下面一个例子。

public static void main(String[] args){
    {
        byte[] placeholder = new byte[64*1024*1024];
    }
    int a = 0;
    System.gc();
}

执行上述代码发现内存被回收了，根本原因是placeholder的变量槽被复用了。在第二段代码中虽然已经离开了变量的作用域，但变量占用的变量槽没有被其他变量复用，而局部变量表作为 GC Roots 的一部分与这个变量保持着关联，因此不会被回收。第三段代码中变量a复用了placeholder的变量槽，placeholder断开了与 GC Roots 的引用链，也就是不可达，因此被垃圾回收。