05、JVM实战:虚拟机栈、栈异常、栈的存储结果和运行原理、栈内部结构、局部变量表

一、虚拟机栈

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。

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?

栈是运行时的单位,而堆是存储的单位。即: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、放在哪儿。

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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。

生命周期

生命周期和线程一致。

作用

主管Java程序的运行,它保存方法的局部变量(8个基本数据类型、对象的引用地址)、部分结果,并参与方法的调用和返回。

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二、栈异常有哪些

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。

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。

设置线程堆栈大小(以字节为单位)。k或k表示KB, m或M表示MB, a或s表示GB。默认值取决于平台:

  • Linux/x64(64 位):1024 KB
  • macos(64 位):1024 KB
  • Oracle Solaris/x64(64位):1024kb
  • Windows:默认值取决于虚拟内存

下面的示例以不同的单位将线程堆栈大小设置为1024kb:

-Xss 1m
-Xss 1024k
-Xss 1048576

默认栈大小测试代码:

public class StackErrorTest {
    private static int count = 1;

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(count++); // 结果:9718
        main(args);
    }
}

设置栈大小,添加VM参数:

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再次执行测试代码:

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三、栈的存储结构和运行原理

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。

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。

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(CurrentMethod),定义这个方法的类就是当前类(current class) 。

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。

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。

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测试代码:

public class StackFrameTest {
    public static void main(String[] args) {
        new StackFrameTest().method1();
    }

    public void method1() {
        System.out.println("method1()开始执行");
        method2();
        System.out.println("method1()结束");
    }

    public void method2() {
        System.out.println("method2()开始执行");
        method3();
        System.out.println("method2()结束");
    }

    public void method3() {
        System.out.println("method3()开始执行");
    }
}

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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。

四、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( Dynamic Linking)(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

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五、局部变量表

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。

由于局部变量表是建立在线程的栈上,是线程的私有数据,因此不存在数据安全问题

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。

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