JVM-虚拟机栈（操作数栈(Operand Stack)）

1 操作数栈的特点

• 每一个独立的栈帧除了包含局部变量表以外，还包含一个后进先出（Last - In - First -Out的 操作数栈，也可以称之为表达式栈（Expression Stack）
• 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）和 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。使用它们后再把结果压入栈，比如：执行复制、交换、求和等操作

2 操作数栈的作用

• 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，这个时候方法的操作数栈是空的（这个时候数组是创建好并且是长度固定的，但数组的内容为空）
• 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maxstack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的，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
• 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。
• 另外，我们说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。

3 代码追踪

public void testAddOperation() {
        //byte、short、char、boolean：都以int型来保存
        byte i = 15;
        int j = 8;
        int k = i + j;
}

 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

程序执行流程

• 首先执行第一条语句，PC寄存器指向的是0，也就是指令地址为0，然后使用bipush让操作数15入操作数栈。

• 执行完后，让PC寄存器 + 1，指向下一行代码，下一行代码就是将操作数栈的元素存储到局部变量表索引1的位置，我们可以看到局部变量表的已经增加了一个元素
• 解释为什么局部变量表索引从 1 开始，因为该方法为实例方法，局部变量表索引为 0 的位置存放的是 this

• 然后PC寄存器+1，指向的是下一行。让操作数8也入栈，同时执行 istore 操作，存入局部变量表中

• 然后从局部变量表中，依次将数据取出放在操作数栈中，等待执行 add 操作

• 将操作数栈的两个元素出栈，执行iadd操作
• 这里的 iadd 操作具体是：执行引擎将字节码指令翻译成机器指令，然后被CPU进行运算，得出结果，重新放入操作数栈中

• 然后执行 istore 操作，将操作数23 存储到局部变量表索引为3的位置

关于 int j =8; 的说明

• 我们反编译得到的字节码指令如下
  • 因为 8 可以存放在 byte 类型中，所以压入操作数栈的类型为 byte ，而不是 int ，所以执行的字节码指令为 bipush 8
  • 然后将数值 8 转换为int类型存储在局部变量表中：istore_2

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

public int getSum() {
        int m = 10;
        int n = 20;
        int k = m + n;
        return k;
    }

    public void testGetSum() {
        //获取上一个栈桢返回的结果，并保存在操作数栈中
        int i = getSum();
        int j = 10;
    }

4 栈顶缓存技术(Top Of Stack Cashing)

• 前面提过，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（instruction dispatch）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。
• 寄存器的主要优点：指令更少，执行速度快