Java虚拟机(五):Java虚拟机栈-阿里云开发者社区

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Java虚拟机(五):Java虚拟机栈

简介: Java虚拟机栈

一、虚拟机栈的背景

基于Java的语言的跨平台性设计,由因为CPU的架构不同,所以JVM不能设计为基于寄存器结构

根据栈设计

​ 优点:1. 跨平台 2.指令集小,编译器容易实现

​ 缺点 :1.性能下降,效率低 2.实现同样功能需要更多的指令

JVM的堆与栈

栈是运行时的单位,堆是储存单位:栈管运行,堆管储存

  1. 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
  2. 一般来讲,对象主要都是放在堆空间的,是运行时数据区占用内存较大的一部分
  3. 栈存放基本数据类型的局部变量引用数据类型对象的引用

二、Java虚拟机栈的特点与作用

1. Java虚拟机栈的特点

1.Java虚拟栈(Java Virtual Machine Stack),起初也叫Java栈,每个线程在创建是都会创建一个虚拟机栈,其内部保存一个个的栈帧(Stack Frame),对应一个线程中每个方法的调用,它是线程私有

2.声明周期与创建它的线程一致

3.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

4.JVM对Java虚拟机栈的操作只有两个

  1. 每个方法执行前,伴随的入栈
  2. 方法执行完毕后的出栈

5.Java虚拟机栈没有GC问题,但存在OutOfMemoryErrorStackOverflowError

2. Java虚拟机栈的作用

负责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

​ 局部变量是相对于成员变量(属性):如不清楚,可以参考:https://www.cnblogs.com/battlecry/p/9373993.html

三、Java虚拟机栈异常

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

Java栈的大小是固定不变导致:StackOverflowError

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

/**
 * 演示栈中的异常:StackOverflowError
 */
public class StackErrorTest {
    public static void main(String[] args) {
        main(args);
    }
}

解决办法: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(IDEA设置方法:Run-EditConfigurations-VM options 填入指定栈的大小-Xss256k)

/**
 * 演示栈中的异常
 *
 * 默认情况下:count 10818
 * 设置栈的大小: -Xss256k count 1872
 */
public class StackErrorTest {
    private static int count = 1;
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(count);
        count++;
        main(args);
    }
}

Java栈的大小是动态导致:OOM(OutOfMemoryError)

如果Java虚拟机栈可以动态拓展,并且在尝试拓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

四、Java虚拟栈的存储结构和运行原理

1.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

2.在这个线程上正在执行的每个方法都对应各自的一个栈帧

3.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.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(FILO)的和原则

5.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),与当前栈帧对应的方法就是当前方法(Current Frame)

6.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

7.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,成为新的当前栈帧。

8.不同线程中所包含的栈帧是不允许相互引用的,即不可能在另一个栈帧中引用另外一个线程的栈帧

9.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

10.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

/**
 * 栈帧执行顺序演示
 */
public class StackFrameTest {
    public static void main(String[] args) {
        StackFrameTest test = new StackFrameTest();
        test.method1();
        // 输出 method1()和method2()都作为当前栈帧出现了两次,method3()一次
       // method1()开始执行。。。
        // method2()开始执行。。。
       //  method3()开始执行。。。
       //  method3()执行结束。。。
       //  method2()执行结束。。。
       //  method1()执行结束。。。
    }

    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()执行结束。。。");
        return i+m;
    }

    public double method3(){
        System.out.println("method3()开始执行。。。");
        double j = 20.0;
        System.out.println("method3()执行结束。。。");
        return j;
    }

}

五、Java虚拟栈相关面试题

1.举例栈溢出的情况?(StackOverflowError)

  • 递归调用等,通过-Xss设置栈的大小;

2.调整栈的大小,就能保证不出现溢出么?

  • 不能 如递归无限次数肯定会溢出,调整栈大小只能保证溢出的时间晚一些,极限情况会导致OOM内存溢出(Out Of Memery Error)

3.分配的栈内存越大越好么?

  • 不是 会挤占其他线程的空间

4.垃圾回收是否会涉及到虚拟机栈?

  • 不会

-

5.方法中定义的局部变量是否线程安全?

  • 要分析具体情况

    /**
     * 面试题:
     * 方法中定义的局部变量是否线程安全?具体情况具体分析
     *
     * 何为线程安全?
     *     如果只有一个线程可以操作此数据,则必定是线程安全的。
     *     如果有多个线程操作此数据,则此数据是共享数据。如果不考虑同步机制的话,会存在线程安全问题
     *
     * 我们知道StringBuffer是线程安全的源码中实现synchronized,StringBuilder源码未实现synchronized,在多线程情况下是不安全的
     **/
    public class StringBuilderTest {
    
        //s1的声明方式是线程安全的,s1在方法method1内部消亡了
        public static void method1(){
            StringBuilder s1 = new StringBuilder();
            s1.append("a");
            s1.append("b");
        }
    
        //stringBuilder的操作过程:是不安全的,因为method2可以被多个线程调用
        public static void method2(StringBuilder stringBuilder){
            stringBuilder.append("a");
            stringBuilder.append("b");
        }
    
        //s1的操作:是线程不安全的,将自己返回,可能被其他线程共享
        public static StringBuilder method3(){
            StringBuilder s1 = new StringBuilder();
            s1.append("a");
            s1.append("b");
            return s1;
        }
    
        //s1的操作:是线程安全的 ,StringBuilder的toString方法是创建了一个新的String,s1在内部消亡了
        public static String method4(){
            StringBuilder s1 = new StringBuilder();
            s1.append("a");
            s1.append("b");
            return s1.toString();
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            StringBuilder s = new StringBuilder();
            new Thread(()->{
                s.append("a");
                s.append("b");
            }).start();
    
            method2(s);
    
        }
    }

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