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【死磕JVM】一道面試題引發(fā)的“棧幀”?。?！
作者：牧小農(nóng) 2021-03-16 05:44:26
云計(jì)算
虛擬化 通過朋友面試遇到的面試題，今天就這個(gè)問題給大家詳細(xì)介紹一下關(guān)于運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)在內(nèi)存時(shí)候的知識點(diǎn)。
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前言
最近小農(nóng)的朋友——小勇在找工作，開年來金三銀四，都想跳一跳，找個(gè)踏(gao)實(shí)(xin)點(diǎn)的工作，這不小勇也去面試了，不得不說，現(xiàn)在面試，各種底層各種原理，層出不窮，小勇就遇上了這么一道面試題，因?yàn)闆]有回答好，面試被PASS，讓他備受打擊，作為大(lao)哥(si)哥(ji)的我，肯定要安慰一下，到底是什么樣的面試題，讓小勇又一次夭折在面試的路上，好奇怪為什么要說又?簡直讓人喜極而泣，哈哈哈，言歸正傳，我們一起來看一下!
話說小勇正襟危坐在面試官面前，這已經(jīng)是小勇的第五次面試了，前幾次都是石沉大海，讓小勇有點(diǎn)著急了，但是小勇這一次可是有備而來，之前面試不會(huì)的問題，大部分都狠狠的補(bǔ)習(xí)了一下，想來這一次問題應(yīng)該不大。
前面基礎(chǔ)問題小勇都回答的有模有樣的，面試官一看，基礎(chǔ)還算可以，問一點(diǎn)有深度的吧!
面試官：我看你簡歷上寫的熟悉JVM，我給你下面一個(gè)題目，先來講一講a = a ++; 和a = ++a; 的運(yùn)行結(jié)果各是多少?
- public class Test1 {
- public static void main(String[] args) {
- int a = 88;
- a = a++;
- // a = ++a;
- System.out.println(a);
- }
- }
小勇心想：這不是小菜一碟嗎，這我能不知道?于是小勇輕蔑一笑說：a = a++; 輸出結(jié)果是 88 ，a = ++a; 是 9心想我還以為多有難度呢，就這?這種題目給我再來一個(gè)吧!
面試官：無動(dòng)于衷，面無表情的說道，為什么結(jié)果是這樣的，你知道嗎?
小勇：還真來，提高難度了，小樣有點(diǎn)東西啊，還好準(zhǔn)備了，不然今天就在你這道題上坑住了。a++ 是先計(jì)算 a 在++，在分號結(jié)束的才會(huì)做a++運(yùn)算，所以當(dāng)我們做賦值操作的時(shí)候a++ 還是 88,所以賦值給a的時(shí)候也是88，只有當(dāng)分號結(jié)束了a++才會(huì)是9++a 是 先計(jì)算 ++a ，不管是否在分號結(jié)束，這個(gè)時(shí)候的值就已經(jīng)是 9 了，所以賦值的時(shí)候，a就變成了9，輸出結(jié)果也就是9了這下沒話說了吧!
面試官摸了一下下巴，緩緩說到：這個(gè)操作在JVM內(nèi)存里面是怎樣運(yùn)行的?
小勇：怎么運(yùn)行的，這個(gè)不是底層原理了嗎?劇本不是這么發(fā)展的，這塊沒有了解過。。。。小勇：支支吾吾說道，這個(gè)沒有了解過，不太清楚底層的實(shí)現(xiàn)
面試官輕蔑一笑說：行，今天面試就先到這里了，有什么事情，人事會(huì)通知你的!
小勇：!$%@#&*
不懂就學(xué)
聽到上面小勇所講的東西之后，大概了解到，面試官應(yīng)該是要考他關(guān)于運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)在內(nèi)存時(shí)候的知識點(diǎn)，不懂就學(xué)，遇到事情不要慌，想要真正理解上面的面試題的精髓，我們要做一些前置知識的點(diǎn)綴，首先我們先來看看下面一張圖：類生命周期：
上圖中首先將.class 文件讀取到內(nèi)存，存放在方法區(qū)(Perm Gen), 最終產(chǎn)品是Class對象，然后檢查是否有正確數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，JVM為Class的靜態(tài)變量分配內(nèi)存，并設(shè)置默認(rèn)初始值，把Class的二進(jìn)制數(shù)據(jù)中的符號引用替換為直接引用，JVM為執(zhí)行Class 的static 語句塊，會(huì)先初始化其父類，跑到JVM虛擬機(jī)之后呢，會(huì)進(jìn)入到運(yùn)行時(shí)引擎，最后在運(yùn)行時(shí)引擎里面運(yùn)行，運(yùn)行的時(shí)候在內(nèi)存里面是一個(gè)什么樣的情況，這個(gè)就是我們要講的重點(diǎn)——run-time data areas
運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)
Java虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)：
1.1 程序計(jì)數(shù)器
程序計(jì)數(shù)器是一塊較小的內(nèi)存空間， 它可以看作是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器。由于Java虛擬機(jī)的多線程是通過線程輪流切換并分配處理器執(zhí)行時(shí)間的方式來實(shí)現(xiàn)的，在任何一個(gè)確定的時(shí)刻，一個(gè)處理器都會(huì)只執(zhí)行一條線程中的指令，因此為了線程切換后都能回復(fù)正確的執(zhí)行位置，每個(gè)線程都有一個(gè)獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器。如果線程正在執(zhí)行的是一個(gè)java方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器記錄的就是正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的地址。如果正在執(zhí)行的是native方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器值則為空。
作用：
1、字節(jié)碼解釋器通過改變程序計(jì)數(shù)器來一次讀取指令，從而實(shí)現(xiàn)代碼的流程控制。比如：順序執(zhí)行、選擇、循環(huán)、異常處理等 2、在多線程的情況下，程序計(jì)數(shù)器用于記錄當(dāng)前線程線程執(zhí)行的位置，當(dāng)線程被切換回來的時(shí)候能夠知道該線程上次運(yùn)行到哪里了
特點(diǎn)：
- 是一塊較小的內(nèi)存空間
- 線程私有，每一條線程都有一個(gè)程序計(jì)數(shù)器
- 是唯一不會(huì)出現(xiàn) OutOfMemoryError的內(nèi)存區(qū)域
- 生命周期隨著線程的創(chuàng)建而創(chuàng)建，隨著線程的結(jié)束而結(jié)束
1.2 Java虛擬機(jī)棧
Java虛擬機(jī)棧也是線程私有的，它的生命周期與線程相同，虛擬機(jī)棧描述的是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型;每個(gè)方法在執(zhí)行的同時(shí)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧幀(stack frame) 用于存儲局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口等信息。每一個(gè)方法從調(diào)用至執(zhí)行完成的過程，就對應(yīng)著一個(gè)棧幀在虛擬機(jī)中入棧到出棧的過程。
我們結(jié)合一個(gè)案例來看一下：
- public class TestStack {
- public static void main(String[] args) {
- new PlayRice().print();
- }
- }
- class PlayRice{
- public void fun(){
- System.out.println("干飯人，干飯魂，干飯都是人上人?。?！");
- }
- public void print(){
- fun();
- }
- }
經(jīng)常有人把Java 內(nèi)存區(qū)域籠統(tǒng)的劃分成堆內(nèi)存(Heap)和棧內(nèi)存(Stack)，這種劃分方式是直接繼承自傳統(tǒng)的 C、C++程序的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但是在Java語言里面顯然是不合適的，Java的內(nèi)存區(qū)域過分要比這兩個(gè)更復(fù)雜，不過這種劃分方式的流行也簡潔說明了程序員最關(guān)注的、對象內(nèi)存分配關(guān)系最密切的區(qū)域是 堆和棧，棧通常是指虛擬機(jī)，或者更多情況下只是指 虛擬機(jī)棧中的局部變量表的部分 局部變量表存放了編譯期可知的各種基本數(shù)據(jù)類型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、對象引用
在《Java虛擬機(jī)規(guī)范中》，對這個(gè)區(qū)域規(guī)定了兩種異常狀況： 1. 如果線程請求的棧深度大于虛擬機(jī)所允許的深度，將拋出 StackOverflowError 2. 如果Java虛擬機(jī)?？梢詣?dòng)態(tài)擴(kuò)展，當(dāng)擴(kuò)展時(shí)無法申請到足夠的內(nèi)存，就會(huì)拋出OutOfMemoryError異常
1.3 本地方法棧
本地方法棧(Native Method Stack)和虛擬機(jī)棧所發(fā)揮的作用是非常相似的，他們之間的區(qū)別就是虛擬機(jī)棧為虛擬機(jī)執(zhí)行的Java方法(也就是字節(jié)碼)服務(wù)，而本地方法棧則為虛擬機(jī)使用到的 Native方法服務(wù)。
在虛擬機(jī)規(guī)范中對本地方法棧中方法使用的語言、使用方式與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并沒有強(qiáng)制規(guī)定，因此具體的虛擬機(jī)可以自由實(shí)現(xiàn)它，甚至有的Java虛擬機(jī)(Hot-Spot虛擬機(jī))直接就把本地方法棧和虛擬機(jī)棧合二為一。與虛擬機(jī)一樣，本地方法棧也會(huì)拋出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 異常。
1.4 堆
Java堆是虛擬機(jī)所管理中內(nèi)存最大的一塊。Java堆是被所有線程共享的一個(gè)內(nèi)存區(qū)域，在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建。這個(gè)內(nèi)存區(qū)域的唯一目的就是存放對象的實(shí)例，Java世界里 幾乎 所有的對象實(shí)例都在這里分配。
在《Java虛擬機(jī)規(guī)范》中對Java堆的描述是：“所有的對象實(shí)例以及數(shù)組都應(yīng)當(dāng)在堆上分配”。Java對是垃圾收集器管理的內(nèi)存區(qū)域。從回收內(nèi)存的角度看，現(xiàn)代的垃圾收集器大部分都是分代收集理論設(shè)計(jì)的，所以Java堆中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn) “新生代、老年代、永久代、Eden、Survivor”。
根據(jù)《Java虛擬機(jī)規(guī)范》的規(guī)定，Java堆可以處在物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間中，但在邏輯上它應(yīng)該被視為連續(xù)的，這點(diǎn)就像我們用磁盤空間去存儲文件一樣，并不要求每個(gè)文件都連續(xù)存放。但對于大對象(典型的如數(shù)組對象)，多數(shù)虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)出于實(shí)現(xiàn)簡答、存儲高效的考慮，很可能會(huì)要求連續(xù)的內(nèi)存空間。
Java堆既可以被實(shí)現(xiàn)成固定大小的，也可以是可擴(kuò)展的，不過當(dāng)前主流的Java虛擬機(jī)都是按照可擴(kuò)展來實(shí)現(xiàn)的(通過參數(shù)-Xmx和-Xms設(shè)定)。如果在Java堆中沒有內(nèi)存完成實(shí)例分配，并且堆也無法再擴(kuò)展時(shí)，Java虛擬機(jī)會(huì)拋出OutOfMemoryError異常。
1.5 方法區(qū)
方法區(qū)(Method Area)和Java堆一樣，是各個(gè)線程共享的內(nèi)存區(qū)域，它用于存儲已被虛擬機(jī)加載的類型信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼緩存等數(shù)據(jù)。雖然《Java虛擬機(jī)規(guī)范》中把方法區(qū)描述為堆的一個(gè)邏輯部分，但是它卻有一個(gè)別名叫做 “非堆”(Non-Heap)，目的是與Java堆區(qū)分開來。
《Java虛擬機(jī)規(guī)范》對方法區(qū)的約束是非常高寬松的，除了和Java堆一樣不需要連續(xù)的內(nèi)存和可以選擇固定大小或者可擴(kuò)展外，甚至還可以選擇不實(shí)現(xiàn)垃圾收集，所以垃圾收集的行為在這個(gè)區(qū)域就會(huì)比較少出現(xiàn)。這個(gè)區(qū)域的內(nèi)存回收目標(biāo)主要是針對常量池的回收和類型的卸載，但是這個(gè)區(qū)域的回收效果就比較差強(qiáng)人意了。
如果方法區(qū)無法滿足新的內(nèi)存分配需求的時(shí)候，就會(huì)拋出 OutOfMemoryError異常。
1.6 運(yùn)行時(shí)常量池
運(yùn)行時(shí)常量池(Runtime Constant Pool)是方法區(qū)的一部分。Class文件中除了有類的版本、字段、方法、接口等描述信息外，還有一項(xiàng)信息是常量池表(Constant Pool Table)，用于存放編譯期生成的各種字面量與符號引用，這部分內(nèi)容將在類加載后存放到方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)常量池中。
Java虛擬機(jī)對于Class文件每一部分(包括常量池)的格式都有嚴(yán)格規(guī)定，如每一個(gè)字節(jié)用于存儲哪種數(shù)據(jù)都必須符合規(guī)范上的要求才會(huì)被虛擬機(jī)認(rèn)可、加載和執(zhí)行，但對于運(yùn)行時(shí)常量池，《Java虛擬機(jī)規(guī)范》并沒有任何細(xì)節(jié)的要求，不同提供商實(shí)現(xiàn)的虛擬機(jī)可以按照自己的需要來實(shí)現(xiàn)，這個(gè)內(nèi)存區(qū)域，不過一般來說，除了保存Class文件描述的符號引用外，還會(huì)把符號引用翻譯出來的直接引用也存儲在運(yùn)行時(shí)常量池中
運(yùn)行時(shí)常量池相對于Class文件常量池的另外一個(gè)重要特征是具備動(dòng)態(tài)性，Java語言并不要求常量一定只有編譯器才能產(chǎn)生，也就是說，并非預(yù)置入Class文件中常量池的內(nèi)容才能進(jìn)入方法區(qū)運(yùn)行時(shí)常量池，運(yùn)行期間也可以將新的常量放入池中，這種特性被開發(fā)人員利用的比較多就是String類的intern()方法。
既然運(yùn)行時(shí)常量池是方法區(qū)的一部分，自然受到方法區(qū)內(nèi)存的限制，當(dāng)常量池?zé)o法再申請到內(nèi)存 時(shí)會(huì)拋出OutOfMemoryError異常。
1.7 直接內(nèi)存
直接內(nèi)存(Direct Memory)并不是虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的一部分，也不是《Java虛擬機(jī)規(guī)范》中定義的內(nèi)存區(qū)域。但是這部分也被頻繁的使用過，而且也有可能會(huì)導(dǎo)致OutOfMemoryError異常出現(xiàn)，在JDK1.4中新加入了NIO(New Input/Output)類，引入了一種基于通道(Channel)與緩沖區(qū)(Buffer)的I/O方式，它可以使用Native函數(shù)庫直接分配堆外內(nèi)存。然后通過一個(gè)存儲在Java堆里面的DirectByteBuffer對象作為這塊內(nèi)存的引用進(jìn)行操作。
1.8 小結(jié)
從下面一張圖我們就可以看出，每一個(gè)線程都有自己的程序計(jì)數(shù)器、Java虛擬機(jī)棧以及本地方法棧，但是他們共享的是堆以及方法區(qū)，為什么每個(gè)線程都有自己的程序計(jì)數(shù)器?我們在上面已經(jīng)講過，就是當(dāng)一個(gè)線程執(zhí)行完了，CPU切換到另一個(gè)線程去執(zhí)行，當(dāng)另外一個(gè)線程執(zhí)行完成之后切回來的時(shí)候，能夠知道當(dāng)前線程執(zhí)行的位置。
理解面試題
我們回到最開始我們講的面試題，我們先來看 i=i++等于88，具體他內(nèi)部是怎樣執(zhí)行的呢，我們需要看它的指令是怎么操作的我們可以用過 Jclasslib來解析他二進(jìn)制碼之后點(diǎn)到的main方法
1.1 安裝 Jclasslib
首先我們需要安裝 Jclasslib，安裝成功如下圖所示：
1.2 查看字節(jié)碼
首先我們需要 運(yùn)行main方法 ，加載其class的內(nèi)容后，點(diǎn)擊 view -> show Bytecode With Jclasslib
main方法里面記錄的有兩張表：
表1：LineNumberTable 記錄是行號表2：LocalVariabletable 是局部變量表，里面就是方法內(nèi)部使用到的變量，第一個(gè)是 args ，第二個(gè)是a，所以局部變量表，指的就是我們當(dāng)前這個(gè)方法，這個(gè)棧幀里面用到了哪些局部變量。
a = a++;
接下來我們來看一下，a = a++;中間的執(zhí)行過程具體是怎么樣的
- 0 bipush 88
- 2 istore_1
- 3 iload_1
- 4 iinc 1 by 1
- 7 istore_1
- 8 getstatic #2
- 11 iload_1
- 12 invokevirtual #3
- 15 return
如果我們不理解指令具體是什么意思，我們可以點(diǎn)擊對應(yīng)指令，瀏覽器直接定位這條指令的詳細(xì)說明
首先我們來看一下 bipush 88 和 istore_1，對應(yīng)的是 int a = 88;iload+1 等于89，再把89賦值出來還是89，
- bipush 88 是指 push byte 放到棧中，88當(dāng)成一個(gè)byte值，會(huì)自動(dòng)擴(kuò)展成Int類型，把它放到棧中，88放在局部變量表，輸入結(jié)果是88。
- 第二條指令istore_1是把我們棧頂上的那個(gè)數(shù)出棧，放到下標(biāo)值為1的局部變量表。局部變量表下標(biāo)值為1的就是a的值，剛才88是放到棧頂上的，現(xiàn)在把88彈出來放到a里面，所以這兩句話完成之后對應(yīng)的int a = 88就完成了，如下圖所示：
iload_1： 的意思是 從局部變量加載int(load int from local variable) ，就是從局部變量表中 拿值，之后放到棧里面，如下圖所示：
iinc 1 by 1： 執(zhí)行 a++ 操作，將局部變量表中 數(shù)值為88的進(jìn)行+1 操作，所以就是 89了，
istore_1： 執(zhí)行 a = a++ 操作，原先已經(jīng)執(zhí)行了 a++ 操作，這個(gè)時(shí)候?qū)?a++ 中 a 賦值給 int a ，所以會(huì)將棧中的數(shù)據(jù)賦值到 局部變量表中，所以這個(gè)時(shí)候局部變量表中的數(shù)據(jù)就是88了。
所以我們最后的結(jié)果就是88。
a = ++a;
字節(jié)碼指令：
- 0 bipush 88
- 2 istore_1
- 3 iinc 1 by 1
- 6 iload_1
- 7 istore_1
- 8 getstatic #2
- 11 iload_1
- 12 invokevirtual #3
- 15 return
bipush 88和istore_1： 這句話其實(shí)完成了 int a = 88，先將88壓棧，然后在出棧賦值到局部變量表中。
iinc 1 by 1： 進(jìn)行++a 操作，所以這個(gè)時(shí)候局部變量表中的數(shù)據(jù)就變成了89。
iload_1： 這個(gè)時(shí)候?qū)⒕植孔兞勘碇械臄?shù)值壓到棧中，
istore_1： 這個(gè)時(shí)候做 a = ++a 操作，將 a的值賦值給 int a，因?yàn)樵跅Ｖ械臄?shù)據(jù)本身就是89，所以最后打印出來的結(jié)果就是89。
補(bǔ)充：當(dāng)我們設(shè)置 int a = 250 的時(shí)候，下面的值會(huì)變成 sipush，是因?yàn)?250已經(jīng)超過127，他已經(jīng)超過byte 所能代表的最大結(jié)果，所以看到的二進(jìn)制就是sipush，s 代表 short。
總結(jié)
到這里，你學(xué)廢了嗎?其實(shí)有時(shí)候我們學(xué)東西，知道怎么用，但是具體里面的細(xì)節(jié)，就需要我們仔細(xì)的去琢磨，有時(shí)候會(huì)很枯燥，當(dāng)我們了解其原理之后，會(huì)有豁然開朗的感覺嗎?小農(nóng)會(huì)有，你們呢?
我是牧小農(nóng)，怕什么真理無窮，進(jìn)一步有進(jìn)一步的歡喜，大家加油!
標(biāo)題名稱：【死磕JVM】一道面試題引發(fā)的“棧幀”！??！
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