JVM中操作数堆栈的作用是什么？

Question

JVM运行时数据区为每个正在执行的方法提供单独的堆栈。它包含操作数堆栈和局部变量。每次加载变量时，都需要const先到操作数堆栈，然后store再到局部变量。为什么不直接操作局部变量表，并进行一些看似重复的工作？

Answer 1

具有直接操作数的指令集必须对每个指令中的操作数进行编码。相反，对于使用操作数堆栈的指令集，操作数是隐式的。

当查看小的琐碎运算（例如将常量加载到变量中）时，隐式参数的优势并不明显。本示例将“操作码，常量，操作码，变量索引”序列与“操作码，常量，变量索引”进行比较，因此看起来直接寻址更简单，更紧凑。

但是让我们看一下 return Math.sqrt(a * a + b * b);

假设变量索引从零开始，字节码看起来像

   0: dload_0
   1: dload_0
   2: dmul
   3: dload_2
   4: dload_2
   5: dmul
   6: dadd
   7: invokestatic  #2                  // Method java/lang/Math.sqrt:(D)D
  10: dreturn
  11 bytes total

对于直接寻址的体系结构，我们需要类似

dmul a,a → tmp1
dmul b,b → tmp2
dadd tmp1,tmp2 → tmp1
invokestatic #2 tmp1 → tmp1
dreturn tmp1

我们必须用索引替换名称。

尽管此序列由较少的指令组成，但是每个指令必须编码其操作数。当我们希望能够处理256个局部变量时，每个操作数需要一个字节，因此每个算术指令需要三个字节加操作码，调用需要两个加操作码和方法地址，而返回则需要一个加操作码。因此，对于字节边界处的指令，此序列需要19个字节，大大超过等效的Java字节码，同时被限制为256个局部变量，而该字节码最多支持65536个局部变量。

这证明了操作数堆栈概念的另一优点。Java字节码允许不同，优化的指令，例如用于装载一个整常数结合有iconst_n，bipush，sipush，和ldc用于存储它到一个变量有istore_n，istore n，和wide istore n。当直接变量寻址的指令集应支持各种常数和变量数量，但仍支持紧凑型指令时，每种组合都需要使用不同的指令。同样，这将需要所有算术指令的多个版本。

除了使用三个操作数形式，还可以使用两个操作数形式，其中一个源变量也指示目标变量。这样可以得到更紧凑的指令，但是如果此后仍需要操作数的值，则需要附加的传输指令。操作数堆栈形式仍然更紧凑。

请记住，这仅描述操作。在执行代码时，不需要执行环境严格遵循此逻辑。因此，除了最简单的解释器之外，所有JVM实现都在执行之前将其转换为其他形式，因此原始存储形式对实际执行性能无关紧要。它仅影响空间需求和加载时间，这两者都受益于更紧凑的表示形式。这尤其适用于通过可能很慢的网络连接传输的代码，这是Java最初设计的用例之一。