JVM-虚拟机栈简介

Posted 2021-06-09 niulongwei

1.简介

1.1 虚拟机栈的出现背景

• 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【如果设计成基于寄存器的，耦合度高，性能会有所提升，因为可以对具体的CPU架构进行优化，但是跨平台性大大降低】。
• 它的优点是跨平台，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。

1.2 什么是Java虚拟机栈

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，栈是线程私有的，是一个后入先出的栈。

1.3 虚拟机栈的生命周期

• 生命周期和线程一致，也就是线程结束了，该虚拟机栈也销毁了

1.4 虚拟机栈的作用

• 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、对象的引用地址）、部分结果，并参与方法的调用和返回。
• 局部变量，它是相比于成员变量来说的（或属性）
• 基本数据类型变量 VS 引用类型变量（类、数组、接口）

1.5 虚拟机栈的特点

• 栈是一种快速有效的分配存储方式，访问速度仅次于程序计数器。
• 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
  • 栈不需要GC，但是可能存在OOM(OutOfMemory 内存溢出)

1.6 虚拟机栈的异常

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(栈溢出) 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(内存溢出) 异常。

1.7 设置栈内存大小

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。

设置线程栈大小,可以以字节表示，以字母k或K表示KB，以字母m或M表示MB，以字母g或G表示GB。

例如：
-Xss1m
-Xss1024k
-Xss1048576
都是设置为1M大小

而默认值取决于平台:

• Linux/x64 (64-bit): 1024 KB
• macOS (64-bit): 1024 KB
• Oracle Solaris/x64 (64-bit): 1024 KB
• Windows: 默认值取决于虚拟内存

举例来说：

public class Example {
    private static int count = 1;
    
    public static void main(String args[]) {
        System.out.println(count);
        count++;
        main(args);
    }
}

未设置参数前输出结果：

11403
11404
11405
11406
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
	at sun.nio.cs.ext.DoubleByte$Encoder.encodeLoop(DoubleByte.java:617)
	at java.nio.charset.CharsetEncoder.encode(CharsetEncoder.java:579)

可以看到在栈在11406的深度溢出了。

而设置参数后：

输出结果：

2462
2463
2464
2465
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
	at sun.nio.cs.ext.DoubleByte$Encoder.encodeArrayLoop(DoubleByte.java:578)
	at sun.nio.cs.ext.DoubleByte$Encoder.encodeLoop(DoubleByte.java:617)

说明设置的参数起作用了。

2.栈的存储单位(栈帧)

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。

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。
  
  注意：
• 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。
  • 另一种是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。
  • 但不管使用哪种方式，都会导致栈帧被弹出。