【jvm】虚拟机栈之操作数栈

- - - 一、说明
    - 二、图解
    - - 2.1 代码示例
      - 2.2 javap操作
    - 三、图示
    - - 3.1 bipush 15
      - 3.2 istore_1
      - 3.3 bipush 8
      - 3.4 istore_2
      - 3.5 iload_1
      - 3.6 iload_2
      - 3.7 iadd
      - 3.8 istore_3
      - 3.9 return结束
    - 四、附加

一、说明

1.Operand Stack
2.栈可以使用数组或链表来实现
3.每一个独立的栈帧包含一个后进先出（Last-In-First-Out）的操作数栈
4.也可称为表达式栈（expression stack）
5.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（push）/出栈（pop）
6.某些字节码指令将值压入操作数栈，其余的字节码指令将操作数取出栈，使用它们后再把结果压入栈
7.可以用来执行复制、交换、求和等操作
8.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
9.操作数栈是jvm执行引擎的一个工作区，当一个方法刚开始执行的时候，一个新的栈帧也会被创建出来，这个方法的操作数栈是空的
10.每一个操作数栈都拥有一个明确的栈深度用于存储数值，所需的最大深度在编译器定义好了，保存在方法的code属性，为max_stack的值
11.栈中的任何一个元素都是可以任意的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
12.操作数栈并非采用访问索引的方式来进行数据访问，只能通过标准的入栈（push）和出栈（pop）操作来完成一次数据访问
13.被调用的方法带有返回值，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
14.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，这由编译器在编译器期间进行验证，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
15.java虚拟机的解释引擎是基于栈的执行引擎，该栈指的就是操作数栈

二、图解

2.1 代码示例

package com.learning.stack.operand_stack;/*** @Author wangyouhui* @Description 操作数栈**/
public class OperandStackTest {public static void main(String[] args) {byte i = 15;int j = 8;int k = i + j;}
}

2.2 javap操作

javap -v OperandStackTest.class

Classfile /F:/jdk-learning/jvm/target/classes/com/learning/stack/operand_stack/OperandStackTest.classLast modified 2023-10-22; size 529 bytesMD5 checksum 82f8abcaba4fd78948113a564c4f83a1Compiled from "OperandStackTest.java"
public class com.learning.stack.operand_stack.OperandStackTestminor version: 0major version: 52flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:#1 = Methodref          #3.#22         // java/lang/Object."<init>":()V#2 = Class              #23            // com/learning/stack/operand_stack/OperandStackTest#3 = Class              #24            // java/lang/Object#4 = Utf8               <init>#5 = Utf8               ()V#6 = Utf8               Code#7 = Utf8               LineNumberTable#8 = Utf8               LocalVariableTable#9 = Utf8               this#10 = Utf8               Lcom/learning/stack/operand_stack/OperandStackTest;#11 = Utf8               main#12 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V#13 = Utf8               args#14 = Utf8               [Ljava/lang/String;#15 = Utf8               i#16 = Utf8               B#17 = Utf8               j#18 = Utf8               I#19 = Utf8               k#20 = Utf8               SourceFile#21 = Utf8               OperandStackTest.java#22 = NameAndType        #4:#5          // "<init>":()V#23 = Utf8               com/learning/stack/operand_stack/OperandStackTest#24 = Utf8               java/lang/Object
{public com.learning.stack.operand_stack.OperandStackTest();descriptor: ()Vflags: ACC_PUBLICCode:stack=1, locals=1, args_size=10: aload_01: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V4: returnLineNumberTable:line 7: 0LocalVariableTable:Start  Length  Slot  Name   Signature0       5     0  this   Lcom/learning/stack/operand_stack/OperandStackTest;public static void main(java.lang.String[]);descriptor: ([Ljava/lang/String;)Vflags: ACC_PUBLIC, ACC_STATICCode:stack=2, locals=4, args_size=10: bipush        152: istore_13: bipush        85: istore_26: iload_17: iload_28: iadd9: istore_310: returnLineNumberTable:line 9: 0line 10: 3line 11: 6line 12: 10LocalVariableTable:Start  Length  Slot  Name   Signature0      11     0  args   [Ljava/lang/String;3       8     1     i   B6       5     2     j   I10       1     3     k   I
}
SourceFile: "OperandStackTest.java"

三、图示

3.1 bipush 15

1.操作数栈和局部变量表一开始是空的
2.pc寄存器记录要操作的指令地址是0
3.byte i = 15;
4.byte、short、char、boolean、int都以int型来保存，bipush中b表示byte，i表示int
5.bipush 15是将15push到操作数栈当中

3.2 istore_1

1.pc寄存器记录要操作的指令地址2
2.istore_1将栈顶的15存到局部变量表索引为1的位置
3.已经转化为int类型了，所以用istore
4.非静态方法，局部变量表索引为0的位置是this变量，因此istore存的是索引为1的位置
5.操作数栈的栈顶出栈后变为空的

3.3 bipush 8

1.pc寄存器记录要操作的指令地址3
2.把8压入操作数栈的栈顶

3.4 istore_2

1.pc寄存器记录要操作的指令地址5
2.将操作数栈的栈顶数据出栈，保存到局部变量表索引为2的位置
3.操作数栈的栈顶数据出栈后，变为空

3.5 iload_1

1.pc寄存器记录要操作的指令地址6
2.iload_1将局部变量表中索引为1位置的数据取出压入操作数栈的栈顶

3.6 iload_2

1.pc寄存器记录要操作的指令地址7
2.iload_2将局部变量表中索引为2位置的数据取出压入操作数栈的栈顶

3.7 iadd

1.pc寄存器记录要操作的指令地址8
2.iadd会弹出操作数栈栈顶的数据，执行引擎将字节码指令翻译为机器指令，从而让cpu计算俩数据的和23
3.iadd将cpu计算的结果23压入操作数栈的栈顶

3.8 istore_3

1.pc寄存器记录要操作的指令地址9
2.istore_3将操作数栈的栈顶数据出栈，保存到局部变量表索引为3的位置
3.操作数栈的栈顶数据出栈后，变为空

3.9 return结束

四、附加

1.操作数栈从一开始到结束，只用到2个空间，即最大深度为2，即stack=2
2.局部变量表最大索引位置为3，局部变量表最大长度为4，索引为0的位置是this变量，即locals=4
3.尽量会以最小的范围来匹配push，例如byte范围为-128到127，在这个范围内的数会用bipush压入操作数栈，short范围为-32768到32727，当一个整数超过了byte范围，但还在short范围内，会用sipush压入操作数栈，以此类推