【JVM】从i++到JVM栈帧

本篇博客将用两个代码例子，简单认识一下JVM与栈帧结构以及其作用

从i++与++i说起

先不急着看i++和++i，我们来看看JVM虚拟机（请看VCR.JPG）

我们初学JAVA的时候一定都听到过JAVA“跨平台”的特性，也就是说，我们的代码可以直接在windows上运行，也可以直接在Linux上运行，而这种特性与虚拟机（也就是JVM）息息相关。

那么JVM这么强大，其内部内存结构是怎样的？笔者将在后面向大家简单介绍。

光知道跨平台与JVM息息相关，便足够了吗？

——鲁迅

正如鲁迅所说，写程序不能只知其然而不知其所以然，我们来看看JVM的内存模型（运行时数据区）。

由于篇幅限制（其实是笔者没学过），本篇博客将会暂时忽略其中的部分内容，重点将会放在虚拟机栈，即栈帧的介绍中。

浅析运行时数据区各个功能区的作用

1. 堆（Heap）

堆是JVM中最大的一块内存区域，主要用于存储所有类实例（对象）和数组。

2. 方法区（Method Area）

方法区是所有线程共享的内存区域，用于存储每个类的结构如运行时常量池、字段和方法数据、构造函数和普通方法的字节码内容。它类似于永久代，但是随着时间的推移，它已经和永久代分开，并且可以是堆的一个逻辑部分，也可以是虚拟机自己的内存（非堆）。

3. 虚拟机栈（Stack）

Java虚拟机的栈是一组私有的执行栈，每个线程有自己的执行栈。每个方法执行的同时都会创建一个栈帧用于存储局部变量表, 操作数栈, 动态链接, 方法返回等信息。一个 Java 方法从调用到执行完的过程, 就对应着一个栈帧从虚拟机栈入栈到出栈的过程。

4. 程序计数器（Program Counter Register）

程序计数器是一块较小的内存空间，它存储当前线程正在执行的字节码的地址，即当前指令的地址。

5. 本地方法栈（Native Method Stack）

本地方法栈用于存储本地方法（如用C或C++编写的方法）的局部变量和参数。它与Java栈类似，其区别只是虚拟机栈为 JVM 执行 Java 方法服务, 而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地 (Native) 方法服务。

栈帧

还记得我们刚刚略过的i++吗，现在回到正题，我们都知道i++与++i的机制：

i++：首先返回i的当前值，然后i的值加1。
++i：先将i的值加1，然后返回新值。

为了理解i++和++i在JVM层面的实现，我们需要了解JVM栈帧的结构。当一个方法被调用时，JVM为这个方法创建一个栈帧，它包含了以下关键部分：

局部变量表
操作数栈
动态链接
方法返回地址
附加信息

我们先简单从字面意义上了解一下前两个部分的作用。

局部变量表：主要用于存储方法参数和定义在方法体内的局部变量。

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。相当于一个工作区。

以下内容配图观看（以i++为例）：

而后压一个1进入操作数栈中，执行加一操作。

最后将i值赋值回局部变量表中。

i++

对于后缀递增操作，JVM需要先提供变量i的当前值，然后再将其值增加一。在栈帧层面，这通常意味着以下步骤：

加载变量：将变量i的值加载到操作数栈上。
返回当前值：由于需要返回当前值，因此这一步加载的值就是表达式i++的值。
增加一：将一个常量1推送到操作数栈上，然后执行iadd（整数加法）指令，将i的值与1相加。
存储结果：将加法的结果存储回局部变量表中的i。

在字节码层面，可能是这样：

iload_0       // 加载局部变量i到栈上
dup            // 复制栈顶的值（i的当前值）
iconst_1       // 将常量1压入栈
iadd           // 执行加法操作，栈顶的两个整数相加
istore_0       // 将相加的结果存储回局部变量i

++i

对于前缀递增操作，JVM首先将i的值增加一，然后再提供新值。这在字节码层面的实现通常如下：

加载变量：将变量i的值加载到操作数栈上。
增加一：将一个常量1推送到操作数栈上，然后执行iadd指令，将i的值与1相加。
存储结果：将加法的结果存储回局部变量表中的i。
返回新值：此时，操作数栈上的值已经是增加后的值，可以直接使用。

对应的字节码可能如下：

iload_0       // 加载局部变量i到栈上
iconst_1       // 将常量1压入栈
iadd           // 执行加法操作
istore_0       // 将相加的结果存储回局部变量i

Java栈帧

小栗子（finally）

我们再来看一个小栗子：

不是这个，是这个：

注：这段代码示例借鉴自：

【Java】异常基本知识点-CSDN博客

我们知道try-catch-finally模板主要用于异常的抓取，如果try块中识别到异常，则执行catch块中的代码，而无论有无异常，都会执行finally块。

这段代码首先将10传入number方法中，而后进入try语句块，发现并未捕捉到异常，正想要返回，却发现还有个finally语句，于是跳转至finally语句，执行两行语句之后，欣然返回main方法。

目前看来，执行的顺序大概是这样：

这时问题出现了，最后print出的num应该是多少？如果从执行顺序来看，似乎应该是11，毕竟是先执行的++num，再运行的return num。

不卖关子，直接运行。

这是为什么呢？疑惑龙.jpg：

掏出我们刚学的栈帧，来看看这段代码：

`main`方法的栈帧

方法调用：main方法调用number(10)方法。
创建栈帧：JVM为number方法创建一个新的栈帧。
参数传递：number方法的参数num被设置为10，并存储在新栈帧的局部变量表中。

`number`方法的栈帧

局部变量表：num的初始值设置为10。
操作数栈：System.out.println("开始")执行，将字符串"开始"推送到操作数栈上，随后调用系统输出方法。
返回值：return num;执行，num的值（10）被推送到操作数栈上，准备返回给main方法。

`catch`块

尽管number方法中有一个try-catch语句，但在这个例子中，并没有抛出NumberFormatException，因此catch块不会被执行。

`finally`块

执行finally：无论是否发生异常，finally块中的代码都会执行。
局部变量更新：++num;执行，num的值从10增加到11，但这个改变只在number方法的栈帧中有效。

返回`main`方法

方法返回：number方法返回，操作数栈上的返回值（10）传递给main方法。
输出结果：main方法中的System.out.println使用这个返回值打印"num = 10"。
finally块完成：尽管main方法已经接收到返回值，但number方法的finally块仍然会执行，输出"运行完成"。

正式介绍一下栈帧

由于笔者才疏学浅，对动态链接具体的机制不甚清楚，故而放到日后的博客中详细记述。

把上面的栈帧结构搬过来~

局部变量表（Local Variables）
操作数栈（Operand Stack）
动态链接（Dynamic Linking）
方法返回地址（Return Address）
附加信息

局部变量表

局部变量表也被称为局部变量数组或本地变量表。

定义为一个数字数组，主要用于存储方法参数和定义在方法体内的局部变量。

操作数栈

操作数栈，也可称为表达式栈，它是存放字节码操作指令的栈，存在于每一个独立的栈帧中。

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）。

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。使用它们之后再把结果压入栈。

比如：执行复制、交换、求和等操作。

注：

· 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。

· 操作数栈就是JVM执行引擎的一个工作区，当一个方法刚开始执行的时候，一个新的栈帧也会随之被创建出来，这个方法的操作数栈是空的。

· 操作数栈并非采用访问索引的方式来进行数据访问，而是只能通过标准的入栈和出栈操作来完成一次数据访问。