JVM笔记（八）（操作数栈）

操作数栈

操作数栈的概念

每一个独立的栈帧中除了包含局部变量表之外，还包含一个后进先出（LIFO）的操作数栈，也可以成为表达式栈（Expression Stack）。

操作数栈在方法执行的过程中，根据字节码指令，往栈中写入数据或提取数据，即入栈出栈。并且操作数栈并非采用访问索引来进行数据访问，只能通过入栈出栈操作来完成一次数据访问。

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。可以理解为JVM执行引擎的工作区，当一个方法开始执行时，一个新的栈帧也会被随之创建出来，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好了，保存在方法的Code属性中，为max_stack的值。

栈中任何一个元素都可以是任意的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。

操作数栈的代码示例

public class Test {
    public void testAddOperation(){
        byte i = 15;
        int j = 8;
        int k = i + j;
    }
}

stack=2, locals=4, args_size=1 
0: bipush 15 
2: istore_1 
3: bipush 8 
5: istore_2 
6: iload_1 
7: iload_2 
8: iadd 
9: istore_3 
10: return

0：15入栈。

2：出栈，把15（int类型，byte/char/short/boolean存放都为int类型 ），取出来存放到局部变量表索引为1的位置。（0的位置为this）

3：8入栈。

5：出栈，把8放入局部变量表索引为2的位置。

6：取出局部变量表索引为1处数据，入栈。

7：取出局部变量表索引为2处数据，入栈。

8：出栈2次栈顶数据，做加法运算（由执行引擎翻译成机器指令运算），结果再入栈。

9：出栈，把23放入局部变量表索引为3的位置。

10：return结束。

可见，栈深度为2，局部变量表大小为4。

操作数栈的补充

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。

Java虚拟机的解释引擎是基于栈的执行引擎，其中的栈即操作数栈。

栈顶缓存技术

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次数和内存读/写次数。

由于操作数是储存在内存中的，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。