JVM之深入理解虚拟机栈(一)

JVM虚拟机栈

1. 虚拟机栈概述

1. 由于跨平台性的设计，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。
   • 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。
2. 有不少Java开发人员一提到Java内存结构，就会非常粗粒度地将JVM中的内存区理解为仅有Java堆（heap）和Java栈（stack）？为什么？
3. ☆栈是运行时的单位，而堆是存储的单位☆
   • 栈解决程序的运行问题，即程序如何执行，或者说如何处理数据。
   • 堆解决的是数据存储的问题，即数据怎么放，放哪里

 

2. Java虚拟机栈是什么？

1. Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack），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。

2. Java虚拟机栈是线程私有的，生命周期和线程一致，也就是线程结束了，该虚拟机栈也销毁了。

public class StackTest {

    public static void main(String[] args) {
        StackTest test = new StackTest();
        test.methodA();
    }

    public void methodA() {
        int i = 10;
        int j = 20;

        methodB();
    }

    public void methodB(){
        int k = 30;
        int m = 40;
    }
}

2.1 Java虚拟机栈的作用

1. 主管Java程序的运行，它保存方法的局部变量、部分结果，并参与方法的调用和返回。

   • 局部变量，它是相比于成员变量来说的（或属性）

   • 基本数据类型变量 VS 引用类型变量（类、数组、接口）

2. 栈是一种快速有效的分配存储方式，访问速度仅次于程序计数器。JVM直接对Java栈的操作只有两个：

   • 每个方法执行，伴随着进栈（入栈/压栈）

   • 执行结束后的出栈工作

3. ☆对于栈来说不存在垃圾回收问题（栈存在溢出的情况）☆

 

2.2 开发中遇到哪些异常？

栈中可能出现的异常：

1. Java 虚拟机规范允许Java栈的大小是动态的或者是固定不变的。

2. 如果采用固定大小的Java虚拟机栈，那每一个线程的Java虚拟机栈容量可以在线程创建的时候独立选定。如果线程请求分配的栈容量超过Java虚拟机栈允许的最大容量，Java虚拟机将会抛出一个*Error 异常。

3. 如果Java虚拟机栈可以动态扩展，并且在尝试扩展的时候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Java虚拟机将会抛出一个 OutOfMemoryError 异常。

/**
 * 演示栈中的异常：*Error
 */
public class StackErrorTest {
    private static int count = 1;
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(count++);
        main(args);
    }
}

当栈深度达到11416的时候，就出现栈内存空间不足

2.3 设置栈内存大小

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（Stack Frame）。

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。

 

3.1 栈运行原理

1. JVM直接对Java栈的操作只有两个，就是对栈帧的压栈和出栈，遵循“先进后出”/“后进先出”原则。

2. 在一条活动线程中，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（栈顶栈帧）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）。

3. 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。

4. 如果在该方法中调用了其他方法，对应的新的栈帧会被创建出来，放在栈的顶端，成为新的当前帧。如下图：

 

下面写一个简单的代码

/**
 * 栈帧
 */
public class StackFrameTest {
    public static void main(String[] args) {
        method01();
    }
    
    private static int method01() {
        System.out.println("方法1的开始");
        int i = method02();
        System.out.println("方法1的结束");
        return i;
    }

    private static int method02() {
        System.out.println("方法2的开始");
        int i = method03();;
        System.out.println("方法2的结束");
        return i;
    }
    private static int method03() {
        System.out.println("方法3的开始");
        int i = 30;
        System.out.println("方法3的结束");
        return i;
    }
}

输出结果为：

方法1的开始
方法2的开始
方法3的开始
方法3的结束
方法2的结束
方法1的结束

满足栈先进后出的概念，通过 idea 的 debug，能够看到栈信息。

1. 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。

2. 如果当前方法调用了其他方法，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。

3. 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；
   • 另外一种是抛出异常。不管使用哪种方式，都会导致栈帧被弹出。

资料参考：

周志明《深入理解Java虚拟机》

宋红康《JVM精讲系列》