由于Java虚拟机跨平台的设计，Java的指令都是根据栈来设计的。不同平台CPU架构不同，所以不能设计为基于寄存器的。
基于栈的设计的优点是：跨平台、指令集小，编译器容易实现。缺点是：性能下降，实现同样的功能需要更多的指令。
内存中的栈和堆栈是运行时的单位，堆是存储时的单位
也就是说，栈解决程序的运行问题 ，如何执行程序，如何处理数据等；堆解决程序的存储问题，即数据放在哪，怎么放。
Java虚拟机栈Java虚拟机栈，早期也叫Java栈。每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈。其内部保存一个个的栈帧（Stack frame），对应着一次次的Java方法调用。
Java虚拟机栈是线程所私有的。
Java虚拟机栈的生命周期与线程的生命周期是一致的。
作用：主管Java程序的运行，它保存方法的局部变量（8种基本数据类型、引用数据类型的地址）、部分结果，并参与方法的调用和返回。
栈的特点：
- 栈是一种有效的分配存储方式，访问速度仅此于程序计数器
- JVM直接对栈的操作只有两个：
- 方法需要执行，进栈
- 方法执行结束，出栈
- 对于栈来说，不存在垃圾回收问题，但可能会出现OOM异常。
栈中可能出现的异常：
Java虚拟机规范允许Java栈的大小是动态的或者固定不变的。
- 如果栈的大小是固定的，那么线程请求分配的栈容量超过Java虚拟机允许的最大容量时，会爆StackOverflowError异常
- 如果Java虚拟机栈可以动态扩展，并且在尝试扩展时无法申请到足够的内存，或者在创建新的线程时没有足够的内存去创建对应的虚拟机栈，那么Java虚拟机将会抛出一个OutOfMemoryError异常。
- 可以使用参数 -Xss 选项来设置线程的最大栈空间。栈的大小直接决定了函数调用的最大可达深度。（IDEA中可以在VM options中设置）
- 每个线程都有自己的栈，栈中的数据都是以栈帧（Stack frame）的格式存在
- 在这个线程上正在执行的每个方法都各自对应一个栈帧
- 栈帧是一个内存区块，是一个数据集，维系着方法执行过程中的各种数据信息。
- JVM直接对Java栈的操作只有两个，那就是对栈帧的压栈和出栈，遵循先入后出的原则。
- 在一条活动线程上，一个时间点上，只会有一个活动的栈帧。即只有当前正在执行的方法的栈帧是有效的，这个栈帧被称为当前栈帧（Current frame），与当前栈帧相对应的方法就是当前方法（Current Method），定义这个方法的类就是当前类（Current Class）。
- 执行引擎运行的所有字节码指令只针对当前栈帧进行操作。
- 如果该方法调用了其他方法，对应的新的栈帧会被创建出来，放在栈的顶端，称为新的当前帧。
- 不同线程中所包含的栈帧是不允许存在相互引用的，即不可能在一个栈帧之中引用另外一个线程的栈帧。
- 如果当前方法调用了其他方法，在方法返回之际，当前栈帧会传回此方法的执行结果给前一个栈帧，接着，虚拟机会丢弃当前栈帧，使得前一个栈帧重新成为当前栈帧。
- Java方法有两种返回函数的方式，一种是正常的函数返回，使用return指令。另一种是抛出异常，不管使用哪种方式，都会导致栈帧被弹出。
- 局部变量表（Local Variables）
- 操作数栈（Operand Stack）（或称表达式栈）
- 动态链接（Dynamic linking）（或指向运行时常量池的方法引用）
- 方法返回地址（Return Address）（或方法正常退出或者异常退出的定义）
- 一些附加信息
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。这些数据类型包括各类基本数据类型、对象引用、以及returnAddress类型。
- 由于局部变量表是建立在线程的栈上，是线程私有的数据，因此不存在数据安全问题。
- 局部变量表所需的容量大小是在编译期确定下来的，并保存在方法的Code属性的maximum local variables数据项中。在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。
- 参数值的存放总是在局部变量数组的index0开始，到数组长度-1的索引结束。
- 局部变量表，最基本的存储单元是Slot（变量槽）
- 在局部变量表中，32位以内的类型只占用一个slot，64位的类型（long和double）占用两个slot
- byte、short、char在存储前被转换为int，boolean也被转换为int，0表示false，非0表示true
- long、double占据两个slot
- 方法嵌套调用的次数由栈的大小决定。
- 局部变量表中的变量只在当前方法调用中有效。当方法调用结束后，随着方法栈帧的销毁，局部变量表也随之销毁。
关于slot：
- JVM会为局部变量表中的每一个Slot都分配一个访问索引，通过这个访问索引即可成功访问到局部变量表中指定的局部变量值
- 当一个实例方法被调用的时候，它的方法参数和方法体内部定义的局部变量将会按照顺序被复制到局部变量表中的每一个Slot上。
- 如果需要访问局部变量表中一个64bit的局部变量时，只需要使用前一个的索引即可。
- 如果当前帧是由构造方法或者实例方法创建的，那么该对象的引用this将会存放在index为0的slot处，其余的参数按照参数表顺序继续排列。
- Slot是可以重复利用的。如果一个局部变量过了其作用域，那么在其作用域之后申明的新的局部变量就很有可能会复用过期局部变量的槽位，从而达到节省资源的目的。
静态变量和局部变量的对比：
- 参数表分配完毕之后，再根据方法体内变量的顺序和作用域分配。
- 类变量（静态变量）有两次初始化机会（成员变量都有），第一次在“准备阶段”，执行系统初始化，对类变量设置零值。另一次则是在“初始化阶段”，赋予程序员在代码中定义的初始值。
- 和类变量初始化不同的是，局部变量不存在系统初始化的过程，这意味着一旦定义了局部变量，则必须人为地进行初始化。
补充说明：
- 在栈帧中，与性能调优关系最为密切的部分就是前面提到的局部变量表。在方法执行时，虚拟机使用局部变量表来完成方法的传递
- 局部变量表中的变量也是重要的垃圾回收根节点，只要被局部变量表中直接或间接引用的对象都不会被回收。
- 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，也可以称之为表达式栈
- 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
- 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。
- 另外，我们说的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。
- 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。
- 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义好了，保存在方法的code属性中，为max_stack的值
- 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
- 操作数栈并非采用访问索引的方式来进行数据访问，而是通过标准的入栈、出栈操作来完成一次数据访问。
栈顶缓存技术（Top-of-Stack Cashing）：
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。
由于操作数是存储在内存中的，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的设计者提出了栈顶缓存技术，将栈顶元素全部缓存到物理CPU的寄存器中，一次降低对内存的读写次数，提升执行引擎的执行效率。
动态链接（或指向运行时常量池的方法引用）- 每一个栈帧内部都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用。包含这个引用的目的就是为了支持当前方法的代码能够动态链接。
- 在Java源文件被编译到字节码文件中时，所有的变量和方法引用都作为符号引用保存在class文件的常量池里。比如，描述一个方法调用了另外的其他方法时，就是通过常量池中指向方法的符号引用来表示的，那么动态链接的作用就是为了将这些符号引用转换为调用方法的直接引用。
在JVM中，将符号引用转换为调用方法的直接引用与方法的绑定机制相关。
- 静态链接：当一个字节码文件被装载进JVM内部时，如果被调用的目标方法在编译器可知，且运行期间保持不变时。这种情况下将调用方法的符号引用转换为直接引用的过程称之为静态链接。
- 动态链接：如果被调用的方法在编译期无法被确定下来，那就只能在程序运行期间将调用方法的符号引用转换为直接引用。
绑定是一个字段、方法或者类在符号引用被替换为直接引用的过程，仅仅发生一次：
- 早期绑定：被调用的目标方法在编译期可知，且运行期间保持不变，即可将这个方法与所属的类型进行绑定。
- 晚期绑定：被调用的目标方法在编译器无法被确定下来，只能在程序运行期间进行绑定，因此称为晚期绑定。
随着高级语言的横空出世，类似于Java一样的基于面向对象的编程语言如今越来越多，尽管这类编程与阳在语法风格上存在一定的差别，但是它们彼此之间都始终保持着一个共性：封装、继承、多态。既然这一类的编程语言具备多态特性，那么自然也就具备早期绑定和晚期绑定。
Java中任何一个普通的方法其实都具备虚函数的特征，它们相当于C++语言中的虚函数。如果Java语言中不希望某个方法拥有虚函数的特征时，则可以使用关键字final来标记这个方法。
非虚方法：
- 如果方法在编译期就确定了具体的调用版本，这个版本在运行时是不可变的。这样的方法称为非虚方法。
- 静态方法、私有方法、final方法、实例构造器、父类方法都是非虚方法
- 其他方法称为虚方法。
虚拟机中提供了几种方法调用指令：
- 普通调用指令：
- invokestatic：调用静态方法
- invokespecial：调用
方法、私有及父类方法（显示地使用super关键字） - invokevirtual：调用虚方法
- invokeinterface：调用接口方法
- 动态调用指令：
- invokedynamic：动态解析出需要调用的方法，然后执行
其中invokestatic、invokespecial调用的为非虚方法，其他调用的（除了final修饰的之外）都是非虚方法。
关于invokedynamic：
- 动态类型语言和静态类型语言：
- 动态类型语言和静态类型语言两者的区别就在于对类型的检查是在编译期还是在运行期，满足前者就是静态类型语言，满足后者就是动态类型语言。
- 说的再直白一点就是：静态类型语言判断变量自身的类型信息，动态类型语言是判断变量值的类型信息，变量本身没有类型信息。
- invokedynamic，如果使用lambda表达式的话，会有这种指令
虚方法表：
- 由于虚方法只能在运行阶段确定具体调用的是哪个方法，为了提高效率，避免每次调用都一次次去找，JVM在方法区建立了一个虚方法表（virtual method table）。
- 每个类都有一个虚方法表，表中存放各个方法的实际入口。
- 虚方法表在类加载的链接阶段被创建并开始初始化，类的变量初始值准备完成之后，JVM会把该类的方法表也初始化。
- 存放调用该方法的PC寄存器的值。
- 一个方法的结束，有两种方式：
- 正常执行结束
- 出现未处理的异常，非正常退出
- 无论通过哪种方法退出，在方法退出后都返回到该方法被调用的位置。方法正常退出时，调用者的PC计数器的值作为返回地址，及调用该方法的指令的下一条指令的地址。而通过异常退出的，返回地址是要通过异常表来确定，栈帧中一般不会保存这部分信息。
本质上，方法的退出就是当前栈帧出栈的过程。此时，需要恢复上层方法的局部变量表、操作数栈等，并将返回值压入调用者栈帧的操作数栈、设置PC寄存器等，让调用者方法继续执行下去。
正常完成出口和异常完成出口的区别在于：通过异常完成出口退出的不会给他的上层调用者产生任何的返回值。
一个方法在正常调用完成之后究竟需要使用哪一个返回指令还需要根据返回值的实际数据类型而定。在字节码指令中，有ireturn（boolean、byte、char、short、int），lreturn、freturn、dreturn以及areturn（针对引用类型），另外，还有一个return指令供声明为void的方法、实例初始化方法、类和接口的初始化方法使用。
一些附加信息栈帧中还允许携带与Java虚拟机实现相关的一些附加信息。例如：对程序调试提供支持的信息。
栈的相关面试题1、举例栈异常的情况：
StackOverflowError，当递归的方法太多，超出栈允许的最大深度时，会发生StackOverflowError。
2、调整栈大小，就能保证不出现溢出吗？
不能
3、分配的栈内存越大越好吗？
不是，分配的栈内存太大，可能导致空间利用率太低。
4、垃圾回收是否会涉及到虚拟机栈？
不会
5、方法中定义的局部变量是否线程安全？
不一定，得看情况，下面这种情况就是线程不安全的。
public class Test() {
public void static main(String[] args) {
StringBuilder s = new StringBuilder();
new Runnable(()->{
s.append("a");
s.append("b");
}).start();
methodA(s);
}
public void static methodA(StringBuilder s) {
s.append("c");
s.append("d");
}
}
还有一种就是将上述StringBuilder返回到外边了，生命周期到了外面，在外面有线程不安全的问题。
下面这种情况就是线程安全的：
public class Test() {
public void static main(String[] args) {
StringBuilder s = new StringBuilder();
s.append("a");
s.append("b");
}
}
