JVM运行时数据区 |详解虚拟机栈内部结构

我不是女神ヾ 2023-03-02 10:43 8阅读 0赞

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### 文章目录 ###

*  一、虚拟机栈介绍
 *   *  1.Java虚拟机栈是什么
     *  2.图解虚拟机栈
     *  3.栈的优点
 *  二、虚拟机栈常见异常
 *   *  1.StackOverFlow异常与OOM异常
     *  2.手动设置栈大小
 *  三、栈的存储单位
 *   *  1.栈的基本单位-栈帧
     *  2.栈的运行原理
 *  四、栈帧的内部结构
 *   *  1.局部变量表
     *  2.变量槽Slot
     *  3.操作数栈
     *  4.动态链接

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# 一、虚拟机栈介绍 #

## 1.Java虚拟机栈是什么 ##

Java虚拟机栈(Java Vitrual 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。

**Java虚拟机栈的生命周期与线程保持一致。作用是主管Java程序的运行，它保存方法的局部变量(8种基本数据类型、对象的引用地址)、部分结果，并参与方法的调用和返回。**

由于跨平台的设计，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。基于栈的指令集架构优点是：跨平台、指令集小，编译器容易实现；缺点是性能下降，实现相同的功能需要更多的指令。这一点在[《JVM架构》][JVM]一文中有详细的讲解。

*  **`栈是运行时的单位`**，负责解决程序的运行问题，即程序如何执行，如何处理数据。
 *  **`堆是存储的单位`**，负责解决数据的存储问题，即数据如何放，怎么放。

**Java中万物皆对象，主体上对象都放在堆空间，栈空间也可以存放一些数据，如基本类型的局部变量、对象的引用地址。**

## 2.图解虚拟机栈 ##

以下面一段代码为例，对其进行内存空间分析

package com.gql.java;
    
    /** * 栈 @author Hudie @date 2020/7/29 - 0:17 */
    public class StackTest { 
        public static void main(String[] args) { 
            StackTest st = new StackTest();
            st.methodA();
        }
    
        public void methodA() { 
            int i = 10;
            int j = 20;
            methodB();
        }
    
        public void methodB() { 
            int k = 30;
            int m = 40;
        }
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzY5MTA1OA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

## 3.栈的优点 ##

*  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：  
    ①每个方法执行伴随着`入栈`。  
    ②方法执行结束后的`出栈`。
 *  对栈来说不存在垃圾回收问题。

# 二、虚拟机栈常见异常 #

## 1.StackOverFlow异常与OOM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创建对应的虚拟机栈，Java虚拟机将会抛出一个`OutOfMemoryError(oom)`异常。

下图演示一个简单的栈溢出异常，oom异常设计本地内存，这里不再演示。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzY5MTA1OA_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

## 2.手动设置栈大小 ##

可以通过IDEA种的`Edit Configurations`选项卡的VM options设置虚拟机栈的大小，虚拟机栈的大小直接决定了出现溢出异常的早晚。

*  \-Xss参数设置可以参照Oracle官网给出的[《参考文档》][Link 1]  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzY5MTA1OA_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

/** 1. 演示栈种的异常 2. 1.StackOverflowError 3. 2.oom(不做演示) 4. 5. 默认情况下,打印了11416次 6. 设置栈的大小 -Xss256k 7. 此时,打印了2463次 8. 结论：设置的栈大小,直接决定了异常出现的早晚. 9. @author Hudie @date 2020/7/29 - 1:31 */
    public class StackErrorTest { 
        private static int count = 1;
        public static void main(String[] args) { 
            System.out.println(count);
            count++;
            main(args);
        }
    }

# 三、栈的存储单位 #

## 1.栈的基本单位-栈帧 ##

*  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`。
 *  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。
 *  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)`。
 *  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。

## 2.栈的运行原理 ##

下面的代码演示了方法之间的多层调用，可以类比栈帧的操作。

package com.gql.java;
    
    import java.lang.reflect.Method;
    
    /** * 栈帧测试 @author Hudie @date 2020/7/29 - 2:25 */
    public class StackFrameTest { 
        public static void main(String[] args) { 
            StackFrameTest test = new StackFrameTest();
            test.method01();
        }
    
        public void method01() { 
            System.out.println("method01开始执行...");
            method02();
            System.out.println("method01执行结束...");
        }
    
        private int method02() { 
            System.out.println("method02开始执行...");
            int i = 10;
            int m = (int) method03();
            System.out.println("method02即将结束...");
            return i + m;
        }
    
        private double method03() { 
            System.out.println("method03开始执行...");
            double j = 20.0;
            System.out.println("method03即将结束...");
            return j;
        }
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzY5MTA1OA_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
除了method03对应的栈帧只做了一次当前栈帧外，其他方法对应的栈帧都两次成为当前栈帧。另外，如果对上述代码进行反编译，会看到method01的字节码结尾是return，method02的字节码结尾是ireturn，method03的字节码结尾的dreturn。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzY5MTA1OA_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

*  不同线程中所包含的栈帧不允许相互引用，即不可能在一个栈帧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，当前栈帧回传会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；另外一种是抛出没有处理的异常。无论哪种方式，都会导致栈帧被弹出。

> 阿里巴巴的TaobaoJVM可以实现在进程之间共享数据，使用的是堆外空间和JCIH技术。

# 四、栈帧的内部结构 #

如文章开头出的图片，每个栈帧存储着:

*  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、异常退出的定义。
 *  一些附加信息。

## 1.局部变量表 ##

局部变量表也被称为`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器确定下来的`，并保存在方法的Code属性的maximum localvariables数据项中。在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。
 *  `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，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。
 *  `局部变量表中的变量只在当前方法调用中有效`。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。

以下面的代码为例，对字节码中方法内部结构进行分析。

package com.gql.java;
    
    import java.util.Date;
    
    /** * 局部变量表测试 @author Hudie @date 2020/7/29 - 14:17 */
    public class LocalVariablesTest { 
        private int count = 0;
    
        public static void main(String[] args) { 
            LocalVariablesTest test = new LocalVariablesTest();
            int num = 10;
            test.method01();
        }
    
        private void method01() { 
            Date date = new Date();
            String name1 = "小花";
            String info = method02(date, name1);
            System.out.println(date + name1);
        }
    
        private String method02(Date date, String name) { 
            date = null;
            name = "小明";
            double weight = 130.5;
            char gender = '男';
            return date + name;
        }
    
        public void method03() { 
            count++;
        }
    
        private void method04() { 
            int a = 0;
            { 
                int b = 0;
                b = a + 1;
            }
            int c = a + 1;
        }
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzY5MTA1OA_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

在栈帧中，与性能调优关系最密切的部分就是局部变量表。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。

## 2.变量槽Slot ##

**局部变量表最基本的存储单位是Slot（变量槽）。**

*  参数值的存放总是从局部变量数组的index0开始，到数组长度-1的索引结束。
 *  局部变量表中存放编译期可知的各种基本数据类型（8种），引用类型（reference），returnAddress类型的变量。
 *  局部变量表中，`32位以内的类型只占用一个slot`（包括returnAddress类型），`64位的类型（long、double、float）占用两个slot`。  
    byte、short、cahr在存储前被转换为int，boolean也被转换为int，0表示false，非0表示true。
 *  JVM会为局部变量表中的每一个Slot都分配一个访问索引，通过这个索引即可成功访问到局部变量表中指定的局部变量值。
 *  当一个实例方法被调用的时候，它的方法参数和方法体内部定义的局部变量将会`按照顺序被复制`到局部变量表中的每一个Slot上。
 *  `如果需要访问局部变量表中一个64bit的局部变量值时，只需要使用前一个索引即可`。(比如：访问long或double类型变量)
 *  如果当前帧是由构造方法或实例方法创建的，那么`该对象引用this将会存放在index为0的slot处`，其余的参数按照参数表顺序继续排列。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzY5MTA1OA_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]
 *  `栈帧中的局部变量表中的槽位是可以重复利用的`，如果一个局部变量表过了其作用域，那么在其作用域之后申明的新的局部变量就很有可能会复用过期的局部变量的槽位，从而达到节省资源的目的。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzY5MTA1OA_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]

## 3.操作数栈 ##

操作数栈，在方法执行过程中，根据字节码指令，从栈中写入数据或提取数据，即 入栈（push）/出栈（pop）。

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`。

操作数栈是JVM执行引擎的一个工作区，当一个方法刚开始执行的时候，一个新的栈帧也会随之被创建出来，`此时方法的操作数栈是空的`。

每一个操作数栈都会拥有一个明确的栈深度用于存储数之，其所需的最大深度在编译期就定义好了，保存在方法的Code属性中，为max\_stack的值。

栈中的任何一个元素都可以是任意的Java数据类型。

操作数栈虽然是由数组演变过来，但`并非采用访问索引的方式来进行数据访问`，而是通过标准的入栈（push）和出栈(pop)操作进行数据访问。

`如果被调用的方法带有返回值的话，其返回值将会被压入当前栈帧的操作数栈中`，并更新PC寄存器中下一条需要执行的字节码指令。

操作数栈中元素的数据类型必须与字节码指令的序列严格匹配，这由编译器在编译期间进行验证。同时在类加载过程中的类检验阶段的数据流分析阶段要再次验证。

关于栈的字节码演示可以参照[《基于栈的解释器执行过程》][JVM]

## 4.动态链接 ##

> **栈顶缓存技术**  
> 基于栈式架构的虚拟机所使用的零地址指令更加紧凑，但完成一项操作的时候需要使用更多的入栈和出栈指令。
> 
> 操作数是存储在内存中的，频繁地执行内存读/写操作必然会影响执行速度。为了解决这个问题HotSpot  
> JVM的设计者们提出了栈顶缓存技术:将栈顶元素全部缓存在物理CPU的寄存器中，以此降低对内存的读/写次数，提升执行引擎的执行效率。

*  动态链接，也成为**指向运行时常量池的方法引用**。
 *  每一个栈帧内部都包含着一个指向运行时常量池（属于本地方法区）中该栈帧所属方法的引用。目的是为了支持当前方法的代码能够实现动态链接（Dynamic Linking）
 *  在Java源文件被编译到字节码文件中时，所有的变量和方法引用都作为符号引用保存在class文件的常量池里。比如：描述一个方法调用了另外的其他方法时，就是通过常量池中指向方法的符号引用来表示的，**动态链接的作用就是为了将这些符号引用转换为调用方法的直接引用。**

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[JVM]: https://guoqianliang.blog.csdn.net/article/details/107569880
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[Link 1]: https://docs.oracle.com/en/java/javase/11/tools/java.html#GUID-3B1CE181-CD30-4178-9602-230B800D4FAE
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzY5MTA1OA_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: /images/20230208/a8adae8b1c394eccbb259248a52d16bb.png
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