02-JVM内存模型：虚拟机栈与本地方法栈

Posted 2020-12-03 manayi

一、虚拟机栈（VM Stack）

1.1）什么是虚拟机栈

　　虚拟机栈是用于描述java方法执行的内存模型。

　　每个java方法在执行时，会创建一个“栈帧（stack frame）”，栈帧的结构分为“局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口”几个部分（具体的作用会在字节码执行引擎章节中讲到，这里只需要了解栈帧是一个方法执行时所需要数据的结构）。我们常说的“堆内存、栈内存”中的“栈内存”指的便是虚拟机栈，确切地说，指的是虚拟机栈的栈帧中的局部变量表，因为这里存放了一个方法的所有局部变量。

　　方法调用时，创建栈帧，并压入虚拟机栈；方法执行完毕，栈帧出栈并被销毁，如下图所示：

1.2）虚拟机栈的特点

　　虚拟机栈是线程隔离的，即每个线程都有自己独立的虚拟机栈。

1.3）虚拟机栈的StackOverflowError

　　若单个线程请求的栈深度大于虚拟机允许的深度，则会抛出StackOverflowError（栈溢出错误）。

　　JVM会为每个线程的虚拟机栈分配一定的内存大小（-Xss参数），因此虚拟机栈能够容纳的栈帧数量是有限的，若栈帧不断进栈而不出栈，最终会导致当前线程虚拟机栈的内存空间耗尽，典型如一个无结束条件的递归函数调用，代码见下：

 1 /**
 2  * java栈溢出StackOverFlowError
 3  * JVM参数：-Xss128k
 4  * Created by chenjunyi on 2018/4/25.
 5  */
 6 public class JavaVMStackSOF {
 7 
 8     private int stackLength = -1;
 9 
10     //通过递归调用造成StackOverFlowError
11     public void stackLeak() {
12         stackLength++;
13         stackLeak();
14     }
15 
16     public static void main(String[] args) {
17         JavaVMStackSOF oom = new JavaVMStackSOF();
18         try {
19             oom.stackLeak();
20         } catch (Throwable e) {
21             System.out.println("Stack length:" + oom.stackLength);
22             e.printStackTrace();
23         }
24     }
25 
26 }

　　设置单个线程的虚拟机栈内存大小为128K，执行main方法后，抛出了StackOverflow异常

1 Stack length:983
2 java.lang.StackOverflowError
3     at com.manayi.study.jvm.chapter2._02_JavaVMStackSOF.stackLeak(_02_JavaVMStackSOF.java:14)
4     at com.manayi.study.jvm.chapter2._02_JavaVMStackSOF.stackLeak(_02_JavaVMStackSOF.java:15)
5     at com.manayi.study.jvm.chapter2._02_JavaVMStackSOF.stackLeak(_02_JavaVMStackSOF.java:15)
6     ······

1.4）虚拟机栈的OutOfMemoryError

　　不同于StackOverflowError，OutOfMemoryError指的是当整个虚拟机栈内存耗尽，并且无法再申请到新的内存时抛出的异常。

　　JVM未提供设置整个虚拟机栈占用内存的配置参数。虚拟机栈的最大内存大致上等于“JVM进程能占用的最大内存（依赖于具体操作系统） - 最大堆内存 - 最大方法区内存 - 程序计数器内存（可以忽略不计） - JVM进程本身消耗内存”。当虚拟机栈能够使用的最大内存被耗尽后，便会抛出OutOfMemoryError，可以通过不断开启新的线程来模拟这种异常，代码如下：

 1 **
 2  * java栈溢出OutOfMemoryError
 3  * JVM参数：-Xss2m
 4  * Created by chenjunyi on 2018/4/25.
 5  */
 6 public class JavaVMStackOOM {
 7 
 8     private void dontStop() {
 9         while (true) {
10         }
11     }
12 
13     //通过不断的创建新的线程使Stack内存耗尽
14     public void stackLeakByThread() {
15         while (true) {
16             Thread thread = new Thread(() -> dontStop());
17             thread.start();
18         }
19     }
20 
21     public static void main(String[] args) {
22         JavaVMStackOOM oom = new _03_JavaVMStackOOM();
23         oom.stackLeakByThread();
24     }
25 
26 }

　　设置单个线程虚拟机栈的占用内存为2m并不断生成新的线程，最终虚拟机栈无法申请到新的内存，抛出异常：

1 Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread

二、本地方法栈（Native Method Stack）

　　本地方法栈的功能和特点类似于虚拟机栈，均具有线程隔离的特点以及都能抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

　　不同的是，本地方法栈服务的对象是JVM执行的native方法，而虚拟机栈服务的是JVM执行的java方法。如何去服务native方法？native方法使用什么语言实现？怎么组织像栈帧这种为了服务方法的数据结构？虚拟机规范并未给出强制规定，因此不同的虚拟机实可以进行自由实现，我们常用的HotSpot虚拟机选择合并了虚拟机栈和本地方法栈。