Java虚拟机栈详解

矫情吗；* 2023-01-10 10:26 141阅读 0赞

## 前言 ##

虚拟机栈也称为Java栈，每个方法被执行的时候，Java虚拟机都会同步创建一个栈帧（Stack Frame）

**栈特点基本介绍**

1.  Java虚拟机栈属于线程私有，它的生命周期与线程相同（随线程而生，随线程而灭）
2.  虚拟机栈说明了线程运行时的瞬时状态
3.  每次方法调用，都会产生对应的栈帧
4.  栈帧包括局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址和一些附加信息
5.  每个方法被调用至执行完毕的过程，就对应这个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的完整过程
6.  栈的深度有限制

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5nY29uZ3lpNDIw_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
**局部变量表**

*  局部变量表（Local Variable Table）是一组变量值存储空间，用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量，并在Java编译为Class文件时，就已确定该方法所需分配的局部变量表的最大容量
 *  局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)「String是引用类型」，对象引用(reference类型) 和 returnAddress类型（它指向了一条字节码指令的地址）
 *  线程私有，不允许跨线程访问，随方法调用创建，方法退出销毁
 *  编译期间长度已经确定，局部变量元数据存储在字节码中
 *  局部变量表是栈帧最主要的存储空间，决定了栈的深度

**操作数栈**

保存中间计算的临时结果，字节码指令在执行过程中的中间计算结果存储在操作数栈

*  操作数栈（Operand Stack）也常被成为操作栈，是一个后入先出栈，用于保存计算过程中的中间结果，同时作为计算过程中变量临时的存储空间。其最大深度在编译时就被写到了Code属性的max\_stacks中
 *  操作数栈在方法的执行过程中，根据字节码指令往栈中写入数据或提取数据，即入栈和出栈操作。虽然栈是用数组实现的，但根据栈的特性，对栈中数据访问不能通过索引，而是只能通过标准的入栈和出栈操作来完成一次数据访问

**动态连接**

将符号引用转为直接引用

*  每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用
 *  持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态连接（Dynamic Linking）
 *  在类加载阶段中的解析阶段会将符号引用转为直接引用，这种转化也称为静态解析
 *  另外的一部分将在每一次运行时期转化为直接引用。这部分称为动态连接

**方法出口**

存放调用方法的程序计数器

当一个方法开始执行后，有2种方式可以退出这个方法

*  方法返回指令 ： 执行引擎遇到一个方法返回的字节码指令(return)，这时候可能会有返回值传递给上层的方法调用者，这种退出方式称为正常完成出口
 *  异常退出 ： 在方法执行过程中遇到了异常，并且没有处理这个异常，就会导致方法退出
 *  一般来说，方法正常退出时，调用者的PC计数器的值可以作为返回地址，栈帧中会保存这个计数器值，而方法异常退出时，返回地址要通过异常处理器表来确定的，栈帧中一般不会保存这部分信息

假如有下面这样一段代码，在一个main方法中调用了method1,再在method1调用method2

**案例演示**

public class MyMethod {
    
        public static void main(String[] args) {
            new MyMethod().method1();
        }
    
        public void method1(){
            System.out.println("进入method1 ...");
            int a=1;
            int b=2;
            method2();
            System.out.println("退出method1");
        }
    
        public void method2(){
            System.out.println("进入method2 ...");
            int c=3;
            int d=4;
            System.out.println("退出method2");
        }
    
    }

对应一个简单的栈帧图示可表示如下：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5nY29uZ3lpNDIw_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

在数据结构中，栈属于一种典型的先进后出的数据结构，即先被压入栈的数据最后出来，对应到上面的案例中，Method2最后入栈，因此当Method2方法执行完毕后，最先从栈弹出，直到Main方法完成，当前这个线程的虚拟机栈就销毁，这也符合预期的方法调用返回结果

在idea中通过安装jclasslib插件，可以清楚的看到方法的字节码运行过程中的详细信息，如下，我们分析method2这个方法在调用时的栈帧过程时候，通过显示的字节码信息可以看出来该方法中的局部变量信息，结果返回时机等

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5nY29uZ3lpNDIw_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
**栈空间设置**

*  Java1.5之后默认每个栈空间大小为1MB
 *  Java启动参数： -Xss 数值【k|m|g】
 *  栈内存分配决定了栈的最大深度，栈内存的深度在实际中是动态的，会随着每个栈中调用方法的数量不同而不同，在某些极端情况下，比如栈的空间不够了或者打满了，就会抱出栈溢出的错误，即OutOfMemoryError异常；

**栈的两种常用空间配置：**

*  固定长度（推荐）：达到上限时，StackOverFlowError
 *  动态扩展，当可用内存不足时，OutOfMemoryError（OOM）
 *  实际开发中，尽量不使用动态扩展的方式设置，否则因为某个线程的OOM导致整个服务器资源被耗尽而拖垮其他的服务或者功能（本人遇到过类似的生产问题），简而言之，动态扩展增大了资源调配的控制难度

**StackOverFlowError案例演示**

public class StackOverFlowError {
    
        private static long count = 0;
    
        public static void main(String[] args) {
            test();
        }
    
        public static void test(){
            count++;
            System.out.println("正在进行第:" + count + "次调用");
            test();
        }
    
    }

这是一段自我调用最后造成死循环的调用，最后一定会由于栈内存不足报栈溢出的错误，但是设置不同的栈空间大小，这个count的次数理论上会不一样

**以默认的栈空间大小**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5nY29uZ3lpNDIw_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
**调大栈内存**

通过启动参数配置之后再次运行，可以承受的最大调用次数明显增大了（即栈的深度增大了）  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5nY29uZ3lpNDIw_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5nY29uZ3lpNDIw_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

**native本地方法栈**

我们知道，Java属于上层语言，在对操作系统的控制层面上相比c,c++逊色不少，但是为了实现某些功能需要调用操作系统提供的相关函数，而Java中的native方法的职责就为这一功能的实现提供了一个类似转换的接口

在native方法中，只提供了接口，没有具体的实现，实现部分由C或C++去实现，总结来说：

*  一个native方法就是一个Java调用非Java代码的接口
 *  定义一个native方法时，并不提供具体的实现
 *  native的方法可以调用其他语言接口实现对操作系统更加底层的操作，比如windows下对dll文件的调用

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