JVM虚拟机栈执行原理深入详解

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什么是JVM

相信很多小伙伴都非常熟悉了，JVM不就是虚拟机吗？那虚拟机又是什么了？不是JVM嘛！
这不废话嘛。

JVM可以说离我们既熟悉又陌生，很多朋友可能在工作中接触不到这块技术，但是在面试往往被问到（概率还蛮大），被问到了自认倒霉，死记硬背是没用的，到头来还是的忘，不过没有关系，今天你们遇到2B哥我，我这免费给大家说道说道JVM知识点，我要没让你明白算我输，你可以留言喷我，如果要是可以，你们也给我点个赞成不？别墨迹了赶紧着吧。

初识JVM：

相信这张图大家都不陌生，这是整个Java体系，其中包括JDK.JRE.JVM三者的关系。

图中可以看得出来JRE包含了JVM，JDK包含了JRE。

从包含的角度就是： JDK是爷爷 JRE是父亲 JVM是儿子（如果觉得列子不太恰当）来看图

我们来看代码:

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public class App {
   private String name;
   private Object object = new Object();
   /***
    * 运算
    */
   public int add() {
      int a = 1;
      int b = 2;
      int c = (a + b) * 100;
      return c;
   }
   /**
    * 程序入口
    */
   public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
      App app = new App();
      int result = app.add();
      System.out.println(result);

   }
}

我们运行上述代码输出结果是300，虽然这个代码非常简单，这个时候已经涉及到JVM相关的知识了，在我们学Java基础的时候老师就告诉我们，Java是跨平台的，一次编写到处运行。

那Java是怎么做到跨平台的？继续看下图：

通过此图大家就不难发现，我们编译的App.class文件可以在Windows操作系统运行也可以在Linux系统运行，但是两个系统底层的操作指令是不一样的，为了屏蔽底层指令的细节，起到一个跨平台的作用，JVM功不可没，我们常说Java是跨平台还不如说是Jvm跨平台（JRE运行时跨平台）。那Jvm虚拟机是怎么跨平台的？

JVM底层原理：

JVM底层由三个系统构成分别是：类加载、运行时数据区、执行引擎。

我们今天重点讲解JVM运行时数据区（栈），其他两块可以关注我之前和后续文章。

我们App.class文件通过类加载子系统从硬盘中读取文件加载到内存中（运行时数据区）。

加载完成之后怎么处理了？（打个比喻人吃饭》吃到肚子里》各各器官负责自己工作吸收）

Stack栈：

先讲一下其中的一块内存区域虚拟机栈，大家都知道栈是数据结构，也是线程独有的区域，也就是每一个线程都会有自己独立的栈区域。我们运行App.java输出300就靠线程执行得来的结果。是哪个线程执行的？获取线程快照：“main线程”

栈》数据结构》存储内容》先进后出FILO

大家都知道每个方法都有自己的局部变量，比如上图中main方法中的result，add方法中的a b c，那么java虚拟机为了区分不同方法中局部变量作用域范围的内存区域，每个方法在运行的时候都会分配一块独立的栈帧内存区域，我们试着按上图中的程序来简单画一下代码执行的内存活动。

执行main方法中的第一行代码是，栈中会分配main()方法的栈帧，并存储math局部变量,，接着执行add()方法，那么栈又会分配add()的栈帧区域。

这里的栈存储数据的方式和数据结构中学习的栈是一样的，先进后出。当add()方法执行完之后，就会出栈被释放，也就符合先进后出的特点，后调用的方法先出栈。

栈帧：
栈帧内部“数据结构”主要由这几个部分组成：局部变量表、操作数栈、方法出口等信息。

说了半天，栈帧到底干嘛用的呀？别急讲这个就会涉及到更底层的原理–字节码。我们先看下我们上面代码的字节码文件。

APP.class文件看着像乱码，其实每个都是有对应的含义的，oracle官方是有专门的jvm字节码指令手册来查询每组指令对应的含义的。那我们研究的，当然不是这个。

jdk有自带一个javap的命令，可以将上述class文件生成一种更可读的字节码文件。

Compiled from "App.java"
public com.App {
  public com.App();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: aload_0
       5: new           #2                  // class java/lang/Object
       8: dup
       9: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
      12: putfield      #3                  // Field object:Ljava/lang/Object;
      15: return


  public int add();
    Code:
       0: iconst_1
       1: istore_1
       2: iconst_2
       3: istore_2
       4: iload_1
       5: iload_2
       6: iadd
       7: bipush        100
       9: imul
      10: istore_3
      11: iload_3
      12: ireturn
  public static void main(java.lang.String[]) throws java.lang.InterruptedException;
    Code:
       0: new           #4                  // class com/App
       3: dup
       4: invokespecial #5                  // Method "<init>":()V
       7: astore_1
       8: aload_1
       9: invokevirtual #6                  // Method add:()I
      12: istore_2
      13: getstatic     #7                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
      16: iload_2
      17: invokevirtual #8              // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
      20: return
}

此时的jvm指令码就清晰很多了，大体结构是可以看懂的，类、静态变量、构造方法、add()方法、main()方法。
其中方法中的指令还是有点懵，我们举add()方法来看一下：

 Code:
       0: iconst_1
       1: istore_1
       2: iconst_2
       3: istore_2
       4: iload_1
       5: iload_2
       6: iadd
       7: bipush        100
       9: imul
      10: istore_3
      11: iload_3
      12: iretu

这几行代码就是对应的我们代码中add()方法中的四行代码。大家都知道越底层的代码，代码实现的行数越多，因为他会包含一些java代码在运行时底层隐藏的一些细节原理。
那么一样的，这个jvm指令官方也是有手册可以查阅的，网上也有很多翻译版本，大家如果想了解可自行百度。

执行流程:
设计代码中的部分指令含义：

第一步：压栈：
将int类型常量1压入操作数栈

0: iconst_1
就是将1压入操作数栈

第二步：存储：
将int类型值存入局部变量1

1: istore_1
局部变量1，在我们代码中也就是第一个局部变量a，先给a在局部变量表中分配内存，然后将int类型的值，也就是目前唯一的一个1存入局部变量a

第三步：赋值

这两行代码就和前两行类似了。

2: iconst_2 3: istore_2

第四步：装载：

从局部变量2中装载int类型值

4: iload_1
5: iload_2
这两个代码是将局部变量1和2，也就是a和b的值装载到操作数栈中

第五步：加法

执行int类型的加法

6: iadd
iadd指令一执行，会将操作数栈中的1和2依次从栈底弹出并相加，然后把运算结果3在压入操作数栈底。

第六步：压栈：

将一个8位带符号整数压入栈

7: bipush 100
这个指令就是将100压入栈

第七步：乘法：

执行int类型的乘法

9: imul
这里就类似上面的加法了，将3和100弹出栈，把结果300压入栈

第八步：压栈：

将将int类型值存入局部变量3

10: istore_3
这里大家就不陌生了吧，和第二步第三步是一样的，将300存入局部变量3，也就是c

第九步：装载：

从局部变量3中装载int类型值

11: iload_3
从局表变量3加载到操作数栈

第十步：返回：

返回int类型值

12: ireturn

我们add方法是被main方法中调用的，所以通过方法出口返回到mian方法中result变量存储方法出口说白了不就是方法执行完了之后要出到哪里，那么我们知道上面add()方法执行完之后应该回到main()方法第三行那么当main()方法调用add()的时候，add()栈帧中的方法出口就存储了当前要回到的位置，那么当add()方法执行完之后，会根据方法出口中存储的相关信息回到main()方法的相应位置。看我图中的红线