知识点---JVM---虚拟机栈

虚拟机栈

• 虚拟机栈概述
• • 内存中的栈与堆
  • Java虚拟机栈是什么？
  • 虚拟机栈的生命周期
  • 虚拟机栈的作用
  • 栈的特点
  • 相关问题
  • • 栈中可能出现的异常
    • 设置栈内存的大小
• 虚拟机栈的存储单位
• • 虚拟机栈存储什么？
  • 虚拟机栈的运行原理
• 虚拟机栈的内部结构
• • 局部变量表
  • • 静态变量与局部变量的对比：
  • 操作数栈
  • ==动态链接（或指向运行时常量池的方法引用）==
  • • 为什么要用常量池呢？
  • 方法返回地址
  • 一些附加信息:
• 相关问题

虚拟机栈概述

内存中的栈与堆

首先栈是运行时的单位，而堆是存储的单位

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，放哪里。

Java虚拟机栈是什么？

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。

注意：方法执行里也是借助一个栈来操作——操作数栈，用来保存操作数。

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。

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。

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（栈存在溢出的情况）

相关问题

栈中可能出现的异常

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 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 异常。

设置栈内存的大小

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。

-Xss1024m // 栈内存为 1024MBS

-Xss1024k // 栈内存为 1024KB

虚拟机栈的存储单位

虚拟机栈存储什么？

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。

虚拟机栈的运行原理

1、JVM直接对Java栈的操作只有两个，就是对栈帧的压（入）栈和出栈，遵循先进后出（后进先出）原则

2、在一条活动线程中，一个时间点上，只会有一个活动的栈帧。

（1）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）

（2）与当前栈帧相对应的方法就是当前方法（Current Method）

（3）定义这个方法的类就是当前类（Current Class）

3、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。

4、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。

5、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。

6、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。

7、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，但不管使用哪种方式，都会导致栈帧被弹出

当方法2结束，方法1变成当前方法。

主线程方法1结束整个线程就结束了，当前虚拟机栈也就结束了。

虚拟机栈的内部结构

1、局部变量表（Local Variables）

2、操作数栈（Operand Stack）（或表达式栈）

3、动态链接（Dynamic Linking）（或指向运行时常量池的方法引用）

4、方法返回地址（Return Address）（或方法正常退出或者异常退出的定义）

5、一些附加信息

并行每个线程下的栈都是私有的，因此每个线程都有自己各自的栈，并且每个栈里面都有很多栈帧，栈帧的大小主要由局部变量表和操作数栈决定的。

局部变量表

1、局部变量表：Local Variables，被称之为局部变量数组或本地变量表

2、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、对象引用（reference），以及returnAddress类型。

3、由于局部变量表是建立在线程的栈上，是线程的私有数据，因此不存在数据安全问题

4、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。

5、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。

6、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。

javap -verbose LocalVariablesTest.class

在编译期间，局部变量的个数、每个局部变量的大小都已经被记录下来

所以局部变量表所需的容量大小是在编译期确定下来的

静态变量与局部变量的对比：

变量的分类：

1、按照数据类型分：

• 基本数据类型
• 引用数据类型

2、按照在类中声明的方式分：

• 成员变量：类static变量和实例变量

  1、类static变量：

  linking的prepare阶段：给类变量默认赋值

  initial阶段：给类变量显式赋值即静态代码块赋值

  2、实例变量：随着对象的创建，会在堆空间中分配实例变量空间，并进行默认赋值

• 局部变量：在使用前，必须要进行显式赋值的！否则，编译不通过

  

操作数栈

操作数栈：Operand Stack

1、每一个独立的栈帧除了包含局部变量表以外，还包含一个后进先出的操作数栈，也可以称之为表达式栈（Expression Stack）

2、操作数栈，在方法执行过程中，根据字节码指令，往栈中写入数据或提取数据，即入栈（push）和 出栈（pop）

3、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

4、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。

动态链接（或指向运行时常量池的方法引用）

1、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

2、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

为什么要用常量池呢？

因为在不同的方法，都可能调用常量或者方法，所以只需要存储一份，然后记录其引用即可，节省了空间。

方法类似于做菜，需要用到各种配料酱油、味精、盐等，编译的时候就像菜谱；写的"味精"，相当于符号引用（字节码中看到的ConstantPool都是符号引用）；当真正炒菜的时候就是运行时；要去拿真正的味精，变成直接引用。

方法返回地址

存放调用该方法的pc寄存器的值，方法结束之后要回调调用该方法的位置继续往下执行。

一些附加信息:

栈帧中还允许携带与Java虚拟机实现相关的一些附加信息。例如：对程序调试提供支持的信息。

相关问题

1、举例栈溢出的情况？

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。

可以通过 -Xss 设置栈的大小

2、调整栈大小，就能保证不出现溢出么？

不能保证不溢出，毕竟内存是有限的而不是无限大。

3、分配的栈内存越大越好么？

不是，一定程度减少了栈溢出的概率，但是会挤占其它的线程空间，因为整个虚拟机的内存空间是有限的，会出现OOM（OutofMemory 内存溢出）

4、垃圾回收是否涉及到虚拟机栈？

不会。Java虚拟机栈只有入栈和出栈，销毁就是出栈

5、方法中定义的局部变量是否线程安全？何为线程安全？

(1)如果只有一个线程才可以操作此数据，则必是线程安全的。

(2)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。

具体问题具体分析：

如果对象是在内部产生，并在内部消亡，没有返回到外部，那么它就是线程安全的，反之则是线程不安全的。

/**
 * 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？
 *      如果只有一个线程才可以操作此数据，则必是线程安全的。
 *      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。
 */
public class StringBuilderTest {
    int num = 10;
 
    //s1的声明方式是线程安全的，方法调用压入栈帧，只在这个线程访问
    //定义的全局变量int num = 10;可能被多个线程访问就是线程不安全的
    public static void method1(){
        StringBuilder s1 = new StringBuilder();
        s1.append("a");
        s1.append("b");
        //...
    }
    //sBuilder的操作过程：是线程不安全的,sBuilder从外面传递过来，可能被多个线程调用
    public static void method2(StringBuilder sBuilder){
        sBuilder.append("a");
        sBuilder.append("b");
        //...
    }
    //s1的操作：是线程不安全的
    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
    // s1.toString() 里面new String(),这个是线程不安全的，但是s1是线程安全的
    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(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                s.append("a");
                s.append("b");
            }
        }).start();
 
        method2(s);
    }
}
           

6、运行时数据区，哪些部分存在Error和GC（垃圾回收）？