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  • 操作数栈
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    2018-08-01 22:28:08

    每一个方法从调用开始到执行完成的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈里面从入栈到出栈的过程。

    对于执行引擎来说,活动线程中,只有栈顶的栈帧是有效的,称为当前栈帧,这个栈帧所关联的方法称为当前方法。执行引擎所运行的所有字节码指令都只针对当前栈帧进行操作。

    操作数栈
          Java虚拟机的解释执行引擎被称为"基于栈的执行引擎",其中所指的栈就是指-操作数栈。
          操作数栈也常被称为操作栈。
         和局部变量区一样,操作数栈也是被组织成一个以字长为单位的数组。但是和前者不同的是,它不是通过索引来访问,而是通过标准的栈操作—压栈和出栈—来访问的。比如,如果某个指令把一个值压入到操作数栈中,稍后另一个指令就可以弹出这个值来使用。
          虚拟机在操作数栈中存储数据的方式和在局部变量区中是一样的:如int、long、float、double、reference和returnType的存储。对于byte、short以及char类型的值在压入到操作数栈之前,也会被转换为int。
          虚拟机把操作数栈作为它的工作区——大多数指令都要从这里弹出数据,执行运算,然后把结果压回操作数栈。(也就是说,操作数栈是进行数据运算的地方。)比如,iadd指令就要从操作数栈中弹出两个整数,执行加法运算,其结果又压回到操作数栈中,看看下面的示例,它演示了虚拟机是如何把两个int类型的局部变量相加,再把结果保存到第三个局部变量的:

    begin  
    iload_0    // 将本地变量0中的int推入堆栈
    iload_1    // 将本地变量1中的int推入堆栈 
    iadd       // pop two ints, add them, push result  
    istore_2   // 弹出int,存储到本地变量2中
    end  

    在这个字节码序列里,前两个指令iload_0和iload_1将存储在局部变量中索引为0和1的整数压入操作数栈中,其后iadd指令从操作数栈中弹出那两个整数相加,再将结果压入操作数栈。第四条指令istore_2则从操作数栈中弹出结果,并把它存储到局部变量区索引为2的位置。

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  • 1.操作数栈 1.每一个独立的栈帧中除了包含局部变量表以外,还包含一个后进先出的操作数栈。 2.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,即入栈和出栈操作。 3.操作数栈主要用于保存...

    1.操作数栈

    1.每一个独立的栈帧中除了包含局部变量表以外,还包含一个后进先出的操作数栈。
    2.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,即入栈和出栈操作。
    在这里插入图片描述
    3.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。
    4.操作数栈是JVM执行引擎的一个工作区,当一个方法开始执行的时候,一个新的栈帧也会随之被创建出来,这时候栈帧里面的操作数栈是空的。(虽然是空的,但是是有大小的)
    5.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已经定义好了,保存在方法的Code属性中,为max_stack的值。
    6.操作数栈中的数据可以是任何一个Java数据类型。32位的数据占用一个栈深度,64位的数据类型占用两个栈深度。
    7.虽然操作数栈是使用数组的方式来实现的,但是操作数栈只能用入栈和出栈的操作来完成一次数据访问,而不能使用索引的方式。
    在这里插入图片描述
    8.如果被调用的方法有返回值的话,其返回值将会被压入当前栈帧的操作数栈中。
    9.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。
    在这里插入图片描述

    2.涉及操作数栈的字节码指令执行过程分析

    package jvn;
    public class OperandStackTest {
        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 -v OperandStackTest 反编译上面的java代码产生的OperandStackTest.class
    产生的字节码如下:

    D:\Eclipse_workspace\JVM\jvn\bin\jvn>javap -v OperandStackTest.class
    Classfile /D:/Eclipse_workspace/JVM/jvn/bin/jvn/OperandStackTest.class
      Last modified 2020-7-3; size 429 bytes
      MD5 checksum 6b1bb437ad85e3c11b4d35892faaec7a
      Compiled from "OperandStackTest.java"
    public class jvn.OperandStackTest
      minor version: 0
      major version: 52
      flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
    Constant pool:
       #1 = Class              #2             // jvn/OperandStackTest
       #2 = Utf8               jvn/OperandStackTest
       #3 = Class              #4             // java/lang/Object
       #4 = Utf8               java/lang/Object
       #5 = Utf8               <init>
       #6 = Utf8               ()V
       #7 = Utf8               Code
       #8 = Methodref          #3.#9          // java/lang/Object."<init>":()V
       #9 = NameAndType        #5:#6          // "<init>":()V
      #10 = Utf8               LineNumberTable
      #11 = Utf8               LocalVariableTable
      #12 = Utf8               this
      #13 = Utf8               Ljvn/OperandStackTest;
      #14 = Utf8               testAddOperation
      #15 = Utf8               i
      #16 = Utf8               B
      #17 = Utf8               j
      #18 = Utf8               I
      #19 = Utf8               k
      #20 = Utf8               SourceFile
      #21 = Utf8               OperandStackTest.java
    {
      public jvn.OperandStackTest();
        descriptor: ()V
        flags: ACC_PUBLIC
        Code:
          stack=1, locals=1, args_size=1
             0: aload_0
             1: invokespecial #8                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
             4: return
          LineNumberTable:
            line 3: 0
          LocalVariableTable:
            Start  Length  Slot  Name   Signature
                0       5     0  this   Ljvn/OperandStackTest;
    
      public void testAddOperation();
        descriptor: ()V
        flags: ACC_PUBLIC
        Code:
          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
          LineNumberTable:
            line 6: 0
            line 7: 3
            line 8: 6
            line 9: 10
          LocalVariableTable:
            Start  Length  Slot  Name   Signature
                0      11     0  this   Ljvn/OperandStackTest;
                3       8     1     i   B
                6       5     2     j   I
               10       1     3     k   I
    }
    SourceFile: "OperandStackTest.java"
    

    主要关注下面这段code

     	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
    

    stack=2, locals=4, args_size=1stack=2表示的是操作数栈的大小为2locals=4表示的是局部变量表的长度是4

    如下图所示:
    在刚开始执行这个方法的时候,PC寄存器记录了下一条要执行的字节码指令的起始地址。局部变量表和操作数栈都是空的。
    1.第一条指令是0: bipush 15。表示的是将数字15压入操作数栈。
    2.第二条指令是 2: istore_1i表示的是存储在操作数栈中的数据的类型是intistore_1表示的是将操作数栈中的数据取出来放到局部变量表的索引等于1的位置。(为什么不是放在局部变量表索引为0的位置?因为对于非静态的方法,局部变量表中索引为0的位置存放的是this)。
    在这里插入图片描述
    3.第三条指令是 3: bipush 8。表示的是将数字8压入操作数栈。
    4.第四条指令是 5: istore_2。表示的是将操作数栈中的数字8取出来放入局部变量表中索引为2的位置。
    在这里插入图片描述
    3.第五条指令是 6: iload_1。表示的是将数字15从局部变量表中索引为1的位置取出来压入操作数栈。
    4.第六条指令是 7: iload_2。表示的是将数字8从局部变量表中索引为2的位置取出来压入操作数栈。
    这时候操作数栈中有两个数据:815
    在这里插入图片描述
    5.第七条指令8: iadd。表示的是将操作数栈中的两个数据出栈并且做一个求和运算,最后将求得的结果23压入操作数栈。
    6.第八条指令9: istore_3。表示的是将操作数栈中的数据23出栈并且放入局部变量表的索引为3的位置。
    7.最后的指令 10: return。表示的是直接返回。

    在这里插入图片描述

    更多JVM相关文章请参考我的专栏:
    https://blog.csdn.net/u011069294/category_10113093.html

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  • Java栈——操作数栈

    2021-11-19 14:36:16
    文章目录Java栈——操作数栈 Java栈——操作数栈 先明确一个概念,Java栈(虚拟机栈)内存储的是栈帧,多个栈帧组成了一个虚拟机栈。栈帧是JVM进行方法调用使用的数据结构。 栈帧内保存包含有操作数栈操作数栈保存了...

    Java栈——操作数栈

    先明确一个概念,Java栈(虚拟机栈)内存储的是栈帧,多个栈帧组成了一个虚拟机栈。栈帧是JVM进行方法调用使用的数据结构。

    栈帧内保存包含有操作数栈。操作数栈保存了方法执行过程中各指令的操作数。

    看下边代码:

    public class Test1 {
    
        public int add(int a, int b) {
            int c = a + b;
            return c;
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            Test1 test1 = new Test1();
            test1.add(1,1);
        }
    }
    

    对应的字节码文件:

    Classfile <Path to /com/sanren1024/jvm/Test1.class>
      Last modified ...; size 578 bytes
      SHA-256 checksum fd3bf061ff99b334ba84db7afd21242589b527334dee24ff7d0410c0927aa9be
      Compiled from "Test1.java"
    public class com.sanren1024.jvm.Test1
      minor version: 0
      major version: 57
      flags: (0x0021) ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
      this_class: #7                          // com/sanren1024/jvm/Test1
      super_class: #2                         // java/lang/Object
      interfaces: 0, fields: 0, methods: 3, attributes: 1
    Constant pool:
       #1 = Methodref          #2.#3          // java/lang/Object."<init>":()V
       #2 = Class              #4             // java/lang/Object
       #3 = NameAndType        #5:#6          // "<init>":()V
       #4 = Utf8               java/lang/Object
       #5 = Utf8               <init>
       #6 = Utf8               ()V
       #7 = Class              #8             // com/sanren1024/jvm/Test1
       #8 = Utf8               com/sanren1024/jvm/Test1
       #9 = Methodref          #7.#3          // com/sanren1024/jvm/Test1."<init>":()V
      #10 = Methodref          #7.#11         // com/sanren1024/jvm/Test1.add:(II)I
      #11 = NameAndType        #12:#13        // add:(II)I
      #12 = Utf8               add
      #13 = Utf8               (II)I
      #14 = Utf8               Code
      #15 = Utf8               LineNumberTable
      #16 = Utf8               LocalVariableTable
      #17 = Utf8               this
      #18 = Utf8               Lcom/sanren1024/jvm/Test1;
      #19 = Utf8               a
      #20 = Utf8               I
      #21 = Utf8               b
      #22 = Utf8               c
      #23 = Utf8               main
      #24 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
      #25 = Utf8               args
      #26 = Utf8               [Ljava/lang/String;
      #27 = Utf8               test1
      #28 = Utf8               SourceFile
      #29 = Utf8               Test1.java
    {
      public com.sanren1024.jvm.Test1();
        descriptor: ()V
        flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
        Code:
          stack=1, locals=1, args_size=1
             0: aload_0
             1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
             4: return
          LineNumberTable:
            line 3: 0
          LocalVariableTable:
            Start  Length  Slot  Name   Signature
                0       5     0  this   Lcom/sanren1024/jvm/Test1;
    
      public int add(int, int);
        descriptor: (II)I
        flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
        Code:
          stack=2, locals=4, args_size=3
             0: iload_1
             1: iload_2
             2: iadd
             3: istore_3
             4: iload_3
             5: ireturn
          LineNumberTable:
            line 6: 0
            line 7: 4
          LocalVariableTable:
            Start  Length  Slot  Name   Signature
                0       6     0  this   Lcom/sanren1024/jvm/Test1;
                0       6     1     a   I
                0       6     2     b   I
                4       2     3     c   I
    
      public static void main(java.lang.String[]);
        descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
        flags: (0x0009) ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
        Code:
          stack=3, locals=2, args_size=1
             0: new           #7                  // class com/sanren1024/jvm/Test1
             3: dup
             4: invokespecial #9                  // Method "<init>":()V
             7: astore_1
             8: aload_1
             9: iconst_1
            10: iconst_1
            11: invokevirtual #10                 // Method add:(II)I
            14: pop
            15: return
          LineNumberTable:
            line 11: 0
            line 12: 8
            line 13: 15
          LocalVariableTable:
            Start  Length  Slot  Name   Signature
                0      16     0  args   [Ljava/lang/String;
                8       8     1 test1   Lcom/sanren1024/jvm/Test1;
    }
    SourceFile: "Test1.java"
    

    看到局部变量表上,slot1是test1实例。源码文件中调用了 test1.add(1,1) 方法,可以查看字节码的指令的执行。

      public int add(int, int);
        descriptor: (II)I
        flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
        Code:
          stack=2, locals=4, args_size=3
             0: iload_1             // 加载slot1操作数  slot1: a=1
             1: iload_2             // 加载slot2操作数  slot2: a=1
             2: iadd                // 执行add操作      结果:2
             3: istore_3            // 保存结果slot3    slot3:c=2
             4: iload_3             // 加载slot3
             5: ireturn             // 返回
          LineNumberTable:
            line 6: 0
            line 7: 4
          LocalVariableTable:
            Start  Length  Slot  Name   Signature
                0       6     0  this   Lcom/sanren1024/jvm/Test1;
                0       6     1     a   I
                0       6     2     b   I
                4       2     3     c   I
    

    对应的操作数栈内表现:

    c(2)

    2

    1(b)

    1(a)

    最后返回,就返回栈顶的值。

    在JVM的优化中,有时候,几个栈帧会共用一个操作数栈,来节约内存。

    展开全文
  • Java虚拟机站之操作数栈

    万次阅读 多人点赞 2018-12-26 22:22:32
    环境:jdk1.8   首先来一张图看看jvm的运行时数据区如下(有个印象...操作数栈可理解为java虚拟机栈中的一个用于计算的临时数据存储区。 - 存储的数据与局部变量表一致含int、long、float、double、reference、...
    环境:jdk1.8
     
    首先来一张图看看jvm的运行时数据区如下(有个印象即可):
     
     
     
    什么是操作数栈?
    - 与局部变量表一样,均以字长为单位的数组。不过局部变量表用的是索引,操作数栈是弹栈/压栈来访问。操作数栈可理解为java虚拟机栈中的一个用于计算的临时数据存储区。
    - 存储的数据与局部变量表一致含int、long、float、double、reference、returnType,操作数栈中byte、short、char压栈前(bipush)会被转为int。
    - 数据运算的地方,大多数指令都在操作数栈弹栈运算,然后结果压栈。
    - java虚拟机栈是方法调用和执行的空间,每个方法会封装成一个栈帧压入占中。其中里面的操作数栈用于进行运算,当前线程只有当前执行的方法才会在操作数栈中调用指令(可见java虚拟机栈的指令主要取于操作数栈)。
    - int类型在-1~5、-128~127、-32768~32767、-2147483648~2147483647范围分别对应的指令是iconst、bipush、sipush、ldc(这个就直接存在常量池了)
     

    举例一个加法过程:
    public class Hello {
        public static void main(String[] args) {
            Hello hello = new Hello();
            int testVal = hello.test();
        }
     
        public int test() {
            //int类型
            int a = 5 + 10;      //验证直接相加在编译阶段已合并完结果
            int b = a + 3;        //探究变量与常量的相加过程
            b = b + 6;             //验证int不在-1~5,在-128~127范围的指令是bipush
            b = b + 128;         //验证int不在-128~127,在-32768~32767范围的指令是sipush
            b = b + 32768;     //验证int不在-32768~32767,在-2147483648~2147483647范围的指令是ldc(ldc:从常量池取并压栈,所以这个范围的int是存在常量池)
            //short                  //验证byte、short、char在操作数栈压栈前均会转为int
            short a_s = 5 + 10;
            short b_s = (short)(a_s + 3);
            //float类型            //以下验证float、double、String均是从常量池中取出(均使用了ldc、ldc_w、ldc2_w其中一个)
            float a_f = 5.00F + 10.00F;
            float b_f = a_f + 3.00F;
            //double类型
            double a_d = 5.00D + 10.00D;
            double b_d = a_d + 3.00D;
            //String类型
            String a_str = "a" + "b";
            String b_str = a_str + "c";
            return b;
        }
    }
    首先这个会保存在方法的Code 属性中,javac Hello.java编译,然后javap -verbose Hello.class反编译分析test()方法如下:
        Code:
          stack=4, locals=13, args_size=1
             0: bipush        15 //1 15压入操作数的栈顶(编译过程中5+10合并成15,并且由于15在-128-127范围,即用bipush压栈
             2: istore_1           //2  从栈顶弹出并压入局部变量表访问索引为1的Slot                                                                    弹栈入局部变量表
             3: iload_1            //3  将局部变量表中访问索引为1的Slot重新压入栈顶                                                                    局部变量表入栈
             4: iconst_3          //4  数值3压入操作数的栈顶(范围-1~5,即用指令iconst)                                                              压栈
             5: iadd                //5  将栈顶的前两个弹出并进行加法运算后将结果重新压入栈顶                                                     前两弹栈相加
             6: istore_2          //6   从栈顶弹出并压入局部变量表访问索引为2的Slot                                                                    弹栈入局部变量表
             7: iload_2            //7  将局部变量表中访问索引为2的Slot重新压入栈顶                                                                    局部变量表入栈
             8: bipush        6  //8  6压入操作数的栈顶(在-128-127范围,用bipush指令
            10: iadd
            11: istore_2
            12: iload_2
            13: sipush     128//9  128压入操作数的栈顶(-32768~32767范围,用sipush指令
            16: iadd
            17: istore_2
            18: iload_2
            19: ldc           #5  // int 32768  //10  128压入操作数的栈顶(-2147483648~2147483647范围,用ldc指令
            21: iadd
            22: istore_2
            23: bipush        15 //11  验证了short、byte、char压栈前都会转为int
            25: istore_3
            26: iload_3
            27: iconst_3
            28: iadd
            29: i2s
            30: istore        4
            32: ldc           #6   // float 15.0f //12  以下验证float、double、String均是从常量池中取出(均使用了ldc、ldc_w、ldc2_w其中一个)
            34: fstore        5
            36: fload         5
            38: ldc           #7                  // float 3.0f
            40: fadd
            41: fstore        6
            43: ldc2_w        #8                  // double 15.0d
            46: dstore        7
            48: dload         7
            50: ldc2_w        #10                 // double 3.0d
            53: dadd
            54: dstore        9
            56: ldc           #12                 // String ab
            58: astore        11
            60: new           #13                 // class java/lang/StringBuilder
            63: dup
            64: invokespecial #14                 // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V
            67: aload         11
            69: invokevirtual #15                 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
            72: ldc           #16                 // String c
            74: invokevirtual #15                 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
            77: invokevirtual #17                 // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
            80: astore        12
            82: iload_2
            83: ireturn                        //13  返回结果
     
    参考文档:
    https://blog.csdn.net/qq_20398345/article/details/81981373  (int数值范围对应的指令)
     
     
     
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空空如也

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操作数栈

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