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jvm探索之路-基于栈的方法执行机制

这周例会上，在进行 code review 时，有同事对其中一个方法变量的定义位置提出疑问

// 为了方便，对代码进行了简化
		public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            int a = 1;
            int b = 2;
            System.out.println(a + b);
        }
    }
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他认为 for 循环中 a，b 提到方法外部定义会好一些，但是具体缘由也没说清楚，有些同事还扯上运行性能，垃圾回收。

但站在我的角度，这两者的区别，除了程序层面变量的作用域变了，在方法运行层面是没有明显差异的，这边也正好回顾一下 jvm 方法运行相关的机制。

虚拟机栈

jvm 运行时内存规划中有一块区域叫做虚拟机栈，被划分为线程私有的空间，线程中方法的运行则对应该区域栈帧的入栈，出栈，一个方法对应一个栈帧。

从上图中可以看到，栈帧单元分为四部分：局部变量表，操作数栈，动态连接，返回地址。

局部变量表

存放方法运行所需的局部变量：方法参数，内部定义的局部变量。

最小存放单元为 Slot（变量槽） ，空间大小为 4 个字节，因此像boolean，byte，char，short，int，float，reference 只需要占用一个变量槽，而 long，double 则需要占用两个变量槽。

因此局部变量表的大小在编译阶段就能确定，与程序运行与否没有太大关系。

举个简单的例子

public static void main(String[] args) {
        int a = 1;
        int b = 2;
        int c = a + b;
    }
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对应的局部变量表为：这边重点关注一下 Slot 的值，它是根据变量定义顺序分配的索引值（例如 args 是方法参数，认为是第一个定义的局部变量，因此 args 的 slot = 0）

LocalVariableTable:
    Start  Length  Slot  Name   Signature
        0       9     0  args   [Ljava/lang/String;
        2       7     1     a   I
        4       5     2     b   I
        8       1     3     c   I
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关于局部变量表还有两个有趣的点可以探索，本文先不涉及这块内容。

栈帧之间存储空间复用（操作数栈与局部变量表，用于方法调用参数的传递）
局部变量表 Slot 的复用（可能会影响对象的垃圾回收）

操作数栈

用于存放操作指令执行所需要的操作数，延续上一个简单的例子

public static void main(String[] args) {
        int a = 1;
        int b = 2;
        int c = a + b;
    }
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对应的方法字节码指令集：

0: iconst_1
1: istore_1
2: iconst_2
3: istore_2
4: iload_1
5: iload_2
6: iadd
7: istore_3
8: return
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简单解释一下几个指令

iconst 将对应常量放入操作数栈，例 iconst_1 是将 1 放入操作数栈
istore 将操作数栈顶元素的值写入局部变量表指定槽位，例如 istore_1 是将操作数栈顶元素的值写入局部变量表 slot = 1 的变量
iload 将指定槽位的局部变量值放入操作数栈顶，例 iload_1 是将局部变量表 slot = 1 的变量值放入操作数栈顶
iadd 弹出操作数栈顶的两个元素，进行 + 操作，将结果再压回操作数栈

上述例子代码的执行过程大致如下：

常量 1 入栈，将栈顶元素赋值给局部变量表的变量 a =》 iconst_1，istore_1
常量 2 入栈，将栈顶元素赋值给局部变量表的变量 b =》 iconst_2，istore_2
将局部变量表中变量 a ,b 的值入栈 =》 iload_1，iload_2
弹出栈顶的前两个元素，进行 + 的操作，将结果入栈 =》iadd
将栈顶元素，也就是计算结果赋值给局部变量表的变量 c =》 istore_3

可以看出，操作数栈会将运算结果即时刷新到局部变量表对应的变量。

这边对于动态连接，还有返回地址暂时不作讨论，不是本文的重点。

字节码分析

讲到这里，相信大家对于 jvm 方法的解释执行机制有了一定的认识，下面我们回到开头的例子，探索一下这个局部变量定义位置的问题。

使用 javap 命令看一下程序对应的字节码文件内容，首先关注局部变量表，该表用来存放方法定义的局部变量，按照定义的顺序，可以看到 a，b 被分配在 2，3 槽位（slot），操作数栈运算需要用到这个 slot 索引（istore_2，iload_2 指令后面的数字就是指这个 slot 索引）

LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
           10      11     2     a   I
           12       9     3     b   I
            2      25     1     i   I
            0      28     0  args   [Ljava/lang/String;

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如果我们把局部变量定义在 for 循环外面

// 为了方便，对代码进行了简化
		public static void main(String[] args) {
        int a;
        int b;
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
						a = 1;
          	b = 2;
            System.out.println(a + b);
        }
    }
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对应字节码的局部变量表，可以看到 a，b 除了变量槽 slot 的索引变了（因为定义顺序发生变化），其它都相同，在方法执行层面，可以认为它们是一致的。

LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
           10      17     1     a   I
           12      15     2     b   I
            2      25     3     i   I
            0      28     0  args   [Ljava/lang/String;

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现在我们来看一下方法对应的字节码指令，可以看到内容几乎是一样的，除了 istore,iload 指令存在差异，是因为 a，b 在变量槽中的索引发生了变化，在方法执行层面，也可以认为它们是一致的。

// 局部变量定义在方法外部
 Code:
      stack=3, locals=4, args_size=1
         0: iconst_0
         1: istore_3
         2: iload_3
         3: bipush        100
         5: if_icmpge     27
         8: iconst_1
         9: istore_1
        10: iconst_2
        11: istore_2
        12: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        15: iload_1
        16: iload_2
        17: iadd
        18: invokevirtual #3                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
        21: iinc          3, 1
        24: goto          2
        27: return
        
 // 局部变量定义在方法内部
    Code:
      stack=3, locals=4, args_size=1
         0: iconst_0
         1: istore_1
         2: iload_1
         3: bipush        100
         5: if_icmpge     27
         8: iconst_1
         9: istore_2
        10: iconst_2
        11: istore_3
        12: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        15: iload_2
        16: iload_3
        17: iadd
        18: invokevirtual #3                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
        21: iinc          1, 1
        24: goto          2
        27: return


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