<JVM上篇:内存与垃圾回收篇>03-程序计数器 | 虚拟机栈(二)

简介: <JVM上篇:内存与垃圾回收篇>03-程序计数器 | 虚拟机栈

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


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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。


202203231706992.png


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)


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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。


4a6e50b80dd045d690cff272de22a82d.jpg


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;
    }
}

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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


af7c0eee9af0899f5952fe5631b752a0.jpg

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


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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:

48b6a0913f39050adbf33f0870317d8e.png

通过jclasslib进行观察:

c28103c52e2d35802963c212f0740c52.png

根据jclasslib详细分析代码执行结构:

f9069481a9b7deb6a8b03bb2b529e49a.png

补充:字节码中方法内部结构的剖析图(结合Jclasslib)

202203241759973.png

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