虚拟机栈

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4 虚拟机栈 ⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️

4.1 虚拟机栈概述

虚拟机栈出现的背景

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。

初步印象

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？

• 这种说法不全面。
• 栈和堆确实是最重要的2部分。
• C++中的类似观点。

内存中的栈与堆

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。

虚拟机栈基本内容

（1）Java虚拟机栈是什么？

• 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，是线程私有的。

（2）生命周期

• 生命周期和线程一致

（3）作用

• 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。

（4）栈的特点

• 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

• 对于栈来说不存在垃圾回收问题（栈存在溢出的情况）

（5）面试题：开发中遇到哪些异常？

栈中可能出现的异常

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。

• 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StackOverflowError 异常。
• 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。

public static void main(String[] args) {
    test();
}

public static void test() {
    test();
}

//抛出异常：Exception in thread"main"java.lang.StackoverflowError

//程序不断的进行递归调用，而且没有退出条件，就会导致不断地进行压栈。

设置栈内存大小

我们可以使用参数 -Xss选项来设置线程的最大栈空间，栈的大小直接决定了函数调用的最大可达深度

public class StackDeepTest{ 
    private static int count=0; 
    public static void recursion(){
        count++; 
        recursion(); 
    }
    public static void main(String args[]){
        try{
            recursion();
        } catch (Throwable e){
            System.out.println("deep of calling="+count); 
            e.printstackTrace();
        }
    }
}

4.2 栈的存储单位

栈中存储什么？

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。

栈运行原理

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。

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。

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。

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。

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。

public class CurrentFrameTest{
    public void methodA(){
        system.out.println（"当前栈帧对应的方法->methodA");
        methodB();
        system.out.println（"当前栈帧对应的方法->methodA");
    }
    public void methodB(){
        System.out.println（"当前栈帧对应的方法->methodB");
    }
}

栈帧的内部结构

每个栈帧中存储着：

• 局部变量表（Local Variables）
• 操作数栈（operand Stack）（或表达式栈）
• 动态链接（DynamicLinking）（或指向运行时常量池的方法引用）
• 方法返回地址（Return Address）（或方法正常退出或者异常退出的定义）
• 一些附加信息

4.3 局部变量表(Local Variables)

局部变量表也被称之为局部变量数组或本地变量表

• 定义为一个数字数组，主要用于存储方法参数和定义在方法体内的局部变量，这些数据类型包括各类基本数据类型、对象引用（reference），以及returnAddress类型。
• 局部变量表所需的容量大小是在编译期确定下来的，并保存在方法的Code属性的maximum local variables数据项中。在方法运行期间是不会改变局部变量表的大小的。

• 方法嵌套调用的次数由栈的大小决定。 一般来说，栈越大，方法嵌套调用次数越多。对一个函数而言，它的参数和局部变量越多，使得局部变量表膨胀，它的栈帧就越大，以满足方法调用所需传递的信息增大的需求。进而函数调用就会占用更多的栈空间，导致其嵌套调用次数就会减少。
• 局部变量表中的变量只在当前方法调用中有效。 在方法执行时，虚拟机通过使用局部变量表完成参数值到参数变量列表的传递过程。当方法调用结束后，随着方法栈帧的销毁，局部变量表也会随之销毁。

静态变量与局部变量的对比

我们知道类变量表有两次初始化的机会，第一次是在“准备阶段”，执行系统初始化，对类变量设置零值，另一次则是在“初始化”阶段，赋予程序员在代码中定义的初始值。

和类变量初始化不同的是，局部变量表不存在系统初始化的过程，这意味着一旦定义了局部变量则必须人为的初始化，否则无法使用。

public void test(){
    int i;
    System. out. println(i);
}

这样的代码是错误的，没有赋值不能够使用。

补充说明

在栈帧中，与性能调优关系最为密切的部分就是前面提到的局部变量表。在方法执行时，虚拟机使用局部变量表完成方法的传递。

局部变量表中的变量也是重要的垃圾回收根节点，只要被局部变量表中直接或间接引用的对象都不会被回收。

4.4 操作数栈（Operand Stack）

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

4.5 代码追踪

代码

public void testAddOperation(){
    byte i = 15; 
    int j = 8; 
    int k = i + j;
}

字节码指令信息

使用javap 命令反编译class文件：javap -v 类名.class

public void testAddOperation(); 
    Code:
    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

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。

栈的相关面试题

• 举例栈溢出的情况？（StackOverflowError）

  • 通过 -Xss设置栈的大小

• 调整栈大小，就能保证不出现溢出么？

  • 不能保证不溢出

• 分配的栈内存越大越好么？

  • 不是，一定时间内降低了OOM概率，但是会挤占其它的线程空间，因为整个空间是有限的。

• 垃圾回收是否涉及到虚拟机栈？

  • 不会

• 方法中定义的局部变量是否线程安全？

  • 具体问题具体分析。如果对象是在内部产生，并在内部消亡，没有返回到外部，那么它就是线程安全的，反之则是线程不安全的。

运行时数据区	是否存在Error	是否存在GC
程序计数器	否	否
虚拟机栈	是（SOE）	否
本地方法栈	是	否
方法区	是（OOM）	是
堆	是	是