内存如何记录方法调用和返回过程

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视频版：

通过语音和动画，能够更加直观的看到，内存记录方法调用和返回过程。

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文字版

我们在写代码的时候有没有思考过 方法如何调用 、 方法执行完之后如何返回 、 内存如何记录方法调用过程 。而这也是今天这篇文章重点内容。

方法调用和返回过程涉及到了，虚拟机栈、程序计数器、局部变量表、操作数栈、方法返回地址、动态链接等等内容，涉及到知识点很多，同时这些内容也是高频面试题，所以我将拆分成多篇文章，针对每个知识点去做详细的分析。而今天这篇文章我们重点去看内存是如何记录方法调用和返回过程。

虚拟机栈

Java 方法以栈帧的形式，运行在虚拟机栈（Java 栈）中，栈是线程私有的，程序启动的时候，会创建一个 main 线程，操作系统会为每一个线程分配一段内存，线程创建的时候会创建一个虚拟机栈，虚拟机栈的生命周期和线程一样，线程结束了，虚拟机栈也销毁了。

每个 Java 方法，对应一个个栈帧，所以方法开始和结束，都是一个个栈帧入栈和出栈的过程，效果如下图所示。

栈帧

每个 Java 方法，都是一个个栈帧，每个栈帧包括了：局部变量表、操作数栈、方法返回地址、动态链接、附加信息。

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• 局部变量表： 保存方法参数列表和方法内的局部变量，按照声明的顺序存储，它以数组的形式展示，如果是实例方法，索引为 0 是 this 的引用，如下图所示。
  

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• 操作数栈： 保存方法执行过程中的临时结果
  
• 返回地址： 保存调用该方法的 pc 寄存器的值（即 JVM 指令地址），用于方法结束时，返回调用处，让调用者方法继续执行下去
  
• 动态链接： 指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用，即从常量池中找到目标方法的符号引用，然后转换为直接引用
  
• 附加信息：比如程序 debug 时添加的一些附件信息（不重要，不需要关心，可忽略）
  

这里只需要知道它们的作用即可，它们的数据结构、字节码的含义、执行过程等等，后续的文章我将会针对每个知识点去做详细的分析。

方法调用过程

先写一段方法调用的代码，首先会调用 main() 方法之后调用 fun1() 然后调用 fun2() ，如下图所示。

现在我们来演示一下 Java 虚拟机执行这些 JVM 指令的过程，首先会调用 main () 方法。

main () 方法

main() 方法执行流程动画效果如下所示。

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2. 执行指令 0: aload_0，从局部变量表中，读取索引为 0 的值，压入操作数栈中，因为是实例方法，所以索引为 0 的值是 this 的引用
   

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3. 执行指令 1: iconst_5 ，将常量 5 压入操作数栈中
   

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4. 执行指令 2: invokevirtual #7，常量 5 和 this 从操作数栈中出栈，然后调用 this.fun1(5)
   

首先从常量池中找到方法 fun1() 的符号引用，然后通过动态链接将符号引用转换成直接引用，之后调用 this.fun1(5)，将方法 fun1() 作为栈帧压入虚拟机栈中，跳转到 fun1()，继续往下执行。

如何从常量池中找到目标方法的符号引用，然后转换成直接引用的过程，将会在后面系列文章中详细分析

在调用 fun1() 之前，fun1() 的局部变量表和方法返回地址已经确定好了。

进入方法 fun1 (int num)

方法 fun1(int num) 执行流程动画效果如下所示。

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2. 执行指令 0: aload_0，从局部变量表中，读取索引为 0 的值，压入操作数栈中。因为是实例方法，所以索引为 0 的值是 this 的引用
   

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3. 执行指令 1: iload_1，从局部变量表中，读取索引为 1 变量 num 的值，并压入操作数栈
   

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4. 执行指令 2: invokevirtual #13，num 和 this 从操作数栈中出栈，然后调用 this.fun2(num)
   

首先从常量池中找到方法 fun2() 的符号引用，然后通过动态链接将符号引用转换成直接引用，之后调用 this.fun2(num)，将方法 fun2() 作为栈帧压入虚拟机栈中，跳转到 fun2()，继续往下执行，调用 fun2() 之前，fun2() 的局部变量表和方法返回地址已经确定好了。

进入方法 fun2 (int num)

方法 fun2(int num) 执行流程动画效果如下所示。

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2. 执行指令 0: iload_1，从局部变量表中，读取索引为 1 变量 num 的值，并压入操作数栈中
   

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3. 执行指令 1: bipush ，将常量 10 压入操作数栈中
   

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4. 执行指令 3: iadd ，num 和常量 10 从操作数栈中出栈，然后进行相加，将结果压入操作数栈中
   

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5. 执行指令 4: istore_2，从操作数栈中取出结果，并赋值给局部变量表中索引为 2 的变量 res2
   

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6. 执行指令 5: iload_2，从局部变量表中，读取索引为 2 的变量 res2 的值，并压入操作数栈中
   

方法退出过程

每个方法即是一个栈帧，每个栈帧会保存方法返回地址，执行 return 系列指令时，会根据当前栈帧保存的返回地址，返回到调用的位置，继续往下执行。因此会分为两种情况。

异常退出

如果出现了异常且捕获了该异常，则会从异常表里查找 PC 寄存器的地址（JVM 指令地址），返回调用处继续执行。

正常退出时会做以下件事

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• 恢复上一个栈帧局部变量表、操作数栈
  
• 如果有返回值，将返回值压入调用者栈帧的操作数栈，是否有返回值根据 return JVM 指令：
  
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  • ireturn ：返回值是 boolean 、 byte 、 char 、 short 和 int 类型
    
  • lreturn ：返回值是 Long 类型
    
  • freturn ：返回值是 Float 类型
    
  • dreturn ：返回值是 Double 类型
    
  • areturn ：返回值是引用类型
    
  • return ：返回值类型为 void
    
  
  
  
• 设置调用者栈帧的 JVM 指令地址
  
• 当前栈帧从虚拟机栈中出栈
  

这篇文章我们只分析正常退出流程，异常退出和正常退出的流程大致都是一样的。正常退出流程动画效果如下所示。

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2. 方法 fun2 结束时，执行最后一条指令 ireturn ，当前栈帧从虚拟机栈中出栈，根据当前栈帧保存的方法返回地址，返回到 fun1 ，恢复 fun1 的局部变量表、操作数栈，将返回结果 res2 保存到调用者（fun1）操作数栈中
   

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3. 回到方法 fun1(int num) ，执行指令 5: istore_2，变量 res2 从操作数中出栈，赋值给局部变量表中索引为 2 的变量 res1
   

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4. 执行指令 6: iload_2 ，从局部变量表中，读取索引为 2 变量 res1 的值，并压入操作数栈中
   

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5. 执行方法 fun1 最后一条指令 7: ireturn，当前栈帧从虚拟机栈中出栈，根据当前栈帧保存的方法返回地址，返回到 main 方法，恢复 main 方法的局部变量表、操作数栈，将返回结果 res2 保存到调用者（main）操作数栈中
   

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6. 最后回到方法 main 中，执行最后一条指令 5: pop，操作数栈中的元素出栈
   

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7. 执行最后一条指令 6: return，至此所有的方法调用结束了，方法所占用的内存，也将返回给系统
   

每次的方法调用，即是栈帧入栈和出栈的过程，同时也需要占用部分内存，用于保存局部变量表、操作数栈、方法返回地址、动态链接、附加信息等等。

当方法执行完，即栈帧出栈，方法调用所占用的内存，也将返回给系统。