Java最大栈深度有多大？- 重温JVM核心知识

Posted 2021-09-07 一只特立独行的猫

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一、问题：Java最大支持栈深度有多大？

从Java运行时数据区域我们知道，线程中的 栈结构如下：

每个栈帧包含：本地变量表，操作数栈，动态链接，返回地址等东西...

也就是说栈调用深度越大，栈帧就越多，就越耗内存。

1、测试案例

1.1、测试线程栈大小对栈深度的影响

下面我们用一个测试例子来说明：

有如下递归方法：

public class StackTest {

    private int count = 0;

    public void recursiveCalls(String a){
        count++;
        System.out.println("stack depth: " + count);
        recursiveCalls(a);
    }

    public void test(){
        try {
            recursiveCalls("a");
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        new StackTest().test();
    }
}

　　

我们设置启动参数

-Xms256m -Xmx256m -Xmn128m -Xss256k

输出内容：

stack depth: 1556
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
	at sun.nio.cs.UTF_8.updatePositions(UTF_8.java:77)

　　

可以发现，栈深度为1556的时候，就报 StackOverflowError了。

接下来我们调整-Xss线程栈大小为 512k，输出内容：

stack depth: 3249
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
	at java.nio.charset.CharsetEncoder.encode(CharsetEncoder.java:579)

发现栈深度变味了3249，说明了：

随着线程栈的大小越大，能够支持越多的方法调用，也即是能够存储更多的栈帧。

1.2、测试方法参数个对栈深度的影响

这里我们固定设置-Xss为256k。

我们知道此时的深度为：1556。

接下来我们给方法添加参数：

public class StackTest {

    private int count = 0;

    public void recursiveCalls(String a){
        count++;
        System.out.println("stack depth: " + count);
        recursiveCalls(a);
    }

    public void test(){
        try {
            recursiveCalls("a");
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        new StackTest().test();
    }
}

为何要添加参数呢，因为添加参数之后，栈帧中的本地变量表就会增加内容，我们可以尝试使用以下命令查看下Class文件的汇编指令：

javap -v StackTest.class

可以发现recursiveCalls方法的本地变量表的确增加了，对应方法的入参 a：

LocalVariableTable:
  Start  Length  Slot  Name   Signature
      0      44     0  this   Lcom/itzhai/jvm/stacks/StackTest;
      0      44     1     a   Ljava/lang/String;

这个时候我们在执行程序看看结果：

stack depth: 1318
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
	at java.nio.Buffer.<init>(Buffer.java:201)

可以发现，栈深度由原来的1556编程了1318。

可以得出结论：

局部变量表内容越多，那么栈帧就越大，栈深度就越小。

2、结论

• 随着线程栈的大小越大，能够支持越多的方法调用，也即是能够存储更多的栈帧；
• 局部变量表内容越多，那么栈帧就越大，栈深度就越小。

我们在评审写代码的时候，发现了堆栈溢出，可以查看下对应类的本地变量表，是不是太多了，可不可以优化下代码，或者加大下线程栈的大小，以增加栈的深度。

References：What is the maximum depth of the java call stack?

 

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二、重温JVM知识

1. JDK，JRE，JVM的联系是啥？

JVM Java Virtual Machine

JDK Java Development Kit

JRE Java Runtime Environment

直接上官网上的介绍的图片，一目了然。

 

2. JVM的作用是啥？

JVM有2个特别有意思的特性，语言无关性和平台无关性。

• 语言无关性：是指实现了Java虚拟机规范的语言对可以在JVM上运行，如Groovy，和在大数据领域比较火的语言Scala，因为JVM最终运行的是class文件，只要最终的class文件复合规范就可以在JVM上运行。
• 平台无关性：是指安装在不同平台的JVM会把class文件解释为本地的机器指令，从而实现Write Once，Run Anywhere

 

3.JVM运行时数据区 

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域都有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。

Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域

其中方法区和堆是所有线程共享的数据区程序计数器，虚拟机栈，本地方法栈是线程隔离的数据区，画一个逻辑图

 

3.1程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器

为什么要记录当前线程所执行的字节码的行号？直接执行完不就可以了吗？

因为代码是在线程中运行的，线程有可能被挂起。即CPU一会执行线程A，线程A还没有执行完被挂起了，接着执行线程B，最后又来执行线程A了，CPU得知道执行线程A的哪一部分指令，线程计数器会告诉CPU。

 

3.2虚拟机栈

虚拟机栈存储当前线程运行方法所需要的数据，指令，返回地址等。

虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧用于存储局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等信息。每个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈道出栈的过程。

局部变量表存储存储局部变量，是一个定长为32位的局部变量空间。其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot），其余的数据类型只占用一个。引用类型（new出来的对象）如何存储?看下图

public int methodOne(int a, int b) {
    Object obj = new Object();
    return a + b;
}

如果局部变量是Java的8种基本基本数据类型，则存在局部变量表中，如果是引用类型。如String，局部变量表中存的是引用，而实例在堆中。

假如methodOne方法调用methodTwo方法时， 虚拟机栈的情况如下：

当虚拟机栈无法再放下栈帧的时候，就会出现StackOverflowError。

 

接着解释一下操作数栈，还是比较容易理解的假如Test.java中有如下方法，

public int getSum(int a, int b) {
    return a + b;
}

反编译生成的Test.class文件，并输出到show.txt中

javap -v Test.class > show.txt

show.txt的内容如下

public int getSum(int, int);
  descriptor: (II)I
  flags: ACC_PUBLIC
  Code:
    stack=2, locals=3, args_size=3
       0: iload_1
       1: iload_2
       2: iadd
       3: ireturn
    LineNumberTable:
      line 12: 0

解释一下上面的语句

iload_1:局部变量1压栈
iload_2:局部变量2压栈
iadd:栈顶2个元素相加，计算结果压栈

简单2个数相加都会用到栈，这个栈就是操作数栈，更不用说复杂的语法了

 

3.3本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈锁发挥的作用是非常相似的，他们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。

 

3.4Java堆

对于大多数应用来说，Java堆（Java Heap）是Java虚拟机锁管理的内存中最大的一块。Java堆是所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。

 

3.5方法区

方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息，常量，静态变量，即时编译器编译后的代码等数据。

 

4.JVM内存模型

由颜色可以看出，jdk1.8之前，堆内存被分为新生代，老年代，永久带，jdk1.8及以后堆内存被分成了新生代和老年代。新生代的区域又分为eden区，s0区，s1区，默认比例是8:1:1，元空间可以理解为直接的物理内存

 

参考文档

1. https://www.itzhai.com/articles/how-stack-frame-can-a-thread-hold.html
2. https://www.itzhai.com/articles/how-java-runtime-data-area-works.html
3. https://zhuanlan.zhihu.com/p/109794172

 

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