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07、JVM 实战 - 运行时内存篇，虚拟机栈

1、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）

2、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寄存器
  • 栈的优点是跨平台，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
  • JVM直接对JVM栈的操作只有两个：方法执行入栈、执行结束出栈
  • JVM栈不存在垃圾回收问题，但会有OOM溢出的问题

3、如何设置栈的大小

-Xss size（即：-XX：Threadstacksize）
一般默认为512k-1024k，取决于操作系统。

注意

设置的栈空间值过大，会导致系统可以用于创建线程的数量减少。一般一个进程中通常有3000-5000个线程。

4、栈的单位：栈帧

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对应各自的一个栈帧。

栈帧是一个内存区块，是一个数据集，保存着方法执行过程中的各种数据信息

 

  • 在一条活动的线程中，同一时刻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，与当前栈帧对应的方法就是当前方法
  • 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
  • 如果当前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
  • 如果当前方法执行结束，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方法有两种函数返回的方式： 正常返回( return指令 )、异常返回( 抛出异常 )，不管使用哪种方式，都会导致栈帧被弹出

5、栈的内部结构

1、 局部变量表

  • 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(8种)、对象引用（reference），以及returnAddress类型。
  • 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。

2、 操作数栈

主要用于保存计算过程的中间结果，同时作为计算过程中变量临时的存储空间。

  • 我们说Java虚拟机的解释引擎是基于栈的执行引擎，其中的栈指的就是操作数栈。
  • 每一个独立的栈帧中除了包含局部变量表以外，还包含一个后进先出(Last-In-First-Out）的操作数栈，也可以称之为表达式栈（Expression Stack）。
  • 操作数栈就是JVM执行引擎的一个工作区，当一个方法刚开始执行的时候，一个新的栈帧也会随之被创建出来，这个方法的操作数栈是空的。
  • 每一个操作数栈都会拥有一个明确的栈深度用于存储数值，其所需的最大深度在编译期就定义好了，保存在方法的Code属性中，为max_stack的值。
  • 栈中的任何一个元素都是可以任意的Java数据类型。32bit的类型占用一个栈单位深度，64bit的类型占用两个栈单位深度。
  • 操作数栈，在方法执行过程中，根据字节码指令，并非采用访问索引的方式来进行数据访问的，而是只能通过标准的入栈（push）和出栈（pop）操作，往栈中写入数据或提取数据来完成一次数据访问。某些字节码指令将值压入操作数栈，其余的字节码指令将操作数取出栈。使用它们后再把结果压入栈。比如：执行复制、交换、求和等操作
  • 如果被调用的方法带有返回值的话，其返回值将会被压入当前栈顿的操作数栈中，并更新PC寄存器中下一条需要执行的字节码指令。

栈顶缓存技术？

将栈顶元素全部缓存在物理CPU的寄存器中，以此降低对内存的读/写次数，提升执行引擎的执行效率。

3、 动态链接

指向运行时常量池的方法引用。

  • 每一个栈帧内部都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用。包含这个引用的目的就是为了支持当前方法的代码能够实现动态链接（Dynamic Linking）。比如：invokedynamic指令
  • 在Java源文件被编译到字节码文件中时，所有的变量和方法引用都作为符号引用（Symbolic Reference）保存在class文件的常量池里。比如：描述一个方法调用了另外的其他方法时，就是通过常量池中指向方法的符号引用来表示的，那么动态链接的作用就是为了将这些符号引用转换为调用方法的直接引用

4、 方法返回地址

  • 存放调用该方法的pc寄存器的值。
  • 一个方法的结束，有两种方式：
    正常执行完成；
    出现未处理的异常，非正常退出。

无论通过哪种方式退出，在方法退出后都返回到该方法被调用的位置。方法正常退出时，调用者的pc计数器的值作为返回地址，即调用该方法的指令的下一条指令的地址。而通过异常退出的，返回
地址是要通过异常表来确定，栈帧中一般不会保存这部分信息。

正常完成出口和异常完成出口的区别在于：通过异常完成出口退出的不会给他的上层调用者产生任何的返回值。

6、常见问题

问题一：栈溢出的情况

栈溢出：StackoverflowError
举个简单的例子：在main方法中调用main方法，就会不断压栈执行，直到栈溢出；
栈的大小可以是固定大小的，也可以是动态变化（动态扩展）的。
如果是固定的，可以通过-Xss设置栈的大小；
如果是动态变化的，当栈大小到达了整个内存空间不足了，就是抛出outofMemory异常（java.lang.OutofMemoryError）

问题二：调整栈大小，就能保证出现溢出吗？

不能。因为调整栈大小，只会减少出现溢出的可能，栈大小不是可以无限扩大的，所有不能保证不出现溢出。

问题三：分配的栈内存越多越好吗？

不是，因为增加栈大小，会造成每个线程的栈都变的很大，使得一定的栈空间下，能创建的线程数量会变小。

问题四：垃圾回收是否会涉及到虚拟机栈？

不会；垃圾回收只会涉及到方法区和堆中，方法区和堆也会存在溢出的可能；
程序计数器，只记录运行下一行的地址，不存在溢出和垃圾回收；
虚拟机栈和本地方法栈，都是只涉及压栈和出栈，可能存在栈溢出，不存在垃圾回收。

问题五：栈和堆的区别？

1、 大小栈大小为512k-1024k，堆的默认最大值为内存的1/4；
2、 执行效率栈执行效率快，堆执行效率慢；
3、 存放内容不一样栈存放基本数据类型和对象的引用，堆存放数组和对象实例；
4、 栈没有垃圾回收，堆是垃圾回收；

问题六：方法中定义的局部变量是否线程安全？

如果方法内部局部变量没有逃离方法的作用范围它就是安全的，是线程私有的 ，不会产生在多个线程下产生线程干扰。
如果局部变量引用了对象，并逃离方法的作用范围，它就不是线程安全的。