4. 虚拟机栈

4.1. 虚拟机栈概述

4.1.1. 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。

4.1.2. 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？

4.1.3. 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

4.1.4. 虚拟机栈基本内容

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种基本数据类型、对象的引用类型）、部分结果，并参与方法的调用和返回。

补充:

局部变量 VS 成员变量(或属性)

基本数据变量 VS 引用类型变量(类、数组、接口)

栈的特点

栈是一种快速有效的分配存储方式，访问速度仅次于PC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

对于栈来说不存在垃圾回收问题（栈存在溢出的情况）

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) {
    main(args);
}
//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

/**
 * 演示栈中的异常:StackOverflowError
 * @author shkstart
 * @create 2020 下午 9:08
 *
 *  默认情况下：count : 11417
 *  设置栈的大小： -Xss256k : count : 2460
 */
public class StackErrorTest {
    private static int count = 1;
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(count);
        count++;
        main(args);
    }
}

4.2. 栈的存储单位

4.2.1. 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。

4.2.2. 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。

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。

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。

/**
 * @author shkstart
 * @create 2020 下午 4:11
 *
 * 方法的结束方式分为两种：① 正常结束，以return为代表  ② 方法执行中出现未捕获处理的异常，以抛出异常的方式结束
 *
 */
public class StackFrameTest {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            StackFrameTest test = new StackFrameTest();
            test.method1();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("main()正常结束");
    }
    public void method1(){
        System.out.println("method1()开始执行...");
        method2();
        System.out.println("method1()执行结束...");
}
    public int method2() {
        System.out.println("method2()开始执行...");
        int i = 10;
        int m = (int) method3();
        System.out.println("method2()即将结束...");
        return i + m;
    }
    public double method3() {
        System.out.println("method3()开始执行...");
        double j = 20.0;
        System.out.println("method3()即将结束...");
        return j;
    }
}

4.2.3. 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

并行每个线程下的栈都是私有的，因此每个线程都有自己各自的栈，并且每个栈里面都有很多栈帧，栈帧的大小主要由局部变量表 和 操作数栈决定的

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。

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。

补充: 栈的大小决定方法嵌套的次数,也就是栈帧的多少,栈帧的大小由局部变量表决定.

代码验证观察局部变量表:

/**
 * @author shkstart
 * @create 2020 下午 6:13
 */
public class LocalVariablesTest {
    private int count = 0;
    public static void main(String[] args) {
        LocalVariablesTest test = new LocalVariablesTest();
        int num = 10;
        test.test1();
    }
    public void test1() {
        Date date = new Date();
        String name1 = "atguigu.com";
        test2(date, name1);
        System.out.println(date + name1);
    }
}

• 利用javap反编译观察main方法结果:

通过jclasslib进行观察:

根据jclasslib详细分析代码执行结构:

补充:字节码中方法内部结构的剖析图(结合Jclasslib)