JVM学习笔记五：虚拟机栈（VMS）

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原创最新推荐文章于 2025-09-25 08:46:47 发布 1.5k 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

多源统一视频融合可视指挥调度平台VMS/smarteye系统概述 28181是针对有线网络的摄像头设计的视频互联互通协议，针对的是无丢包的有线-光纤网络的环境，所以，针对4G/5G无线信道有丢包的无线网络环境，GB28181是有天生缺陷的，无论如何也无法做到跟smarteye这样专业的针对无线信道的专用私有协议的图传效果相比的，因此，要尽量使用smarteye私有协议平台。兼容性，多厂家视频融合平台，可兼容海康-宇视等固定点摄像头接入，通过国标GB28181实现多厂家设备的融合互通，实现移动与固定点监控的融合，可融合视频会议平台和终端，可接入所有CMSV。阅读详情

0. 前言

声明：
感谢尚硅谷宋红康老师的讲授。
感谢广大网友共享的笔记内容。
B站：https://www.bilibili.com/video/BV1PJ411n7xZ
本文的内容基本来源于宋老师的课件，其中有一些其他同学共享的内容，也有一些自己的理解内容。

文章目录

0. 前言
1. 虚拟机栈概述
2. 栈的存储单位
3. 局部变量表
4. 操作数栈（Operand Stack）
- 4.1 代码解析
- 4.2 栈顶缓存技术（Top Of Stack Caching）技术
5 动态链接（Dynamic Linking）
6. 方法的调用：解析与分派
7. 方法返回地址
8. 一些附加信息
9. 栈的相关面试题

1. 虚拟机栈概述

1.1 虚拟机栈出现的背景

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。

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 内存中的栈与堆

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。

1.3 虚拟机栈基本内容

1.3.1 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，是线程私有的，所以其生命周期和线程的生命周期一致。

1.3.2 作用是什么？

虚拟机栈主管 Java 程序的运行，它保存方法的局部变量、部分结果，并参与方法的调用和返回。

1.3.3 栈的特点

栈是一种快速有效的分配存储方式，访问速度仅次于罹序计数器。JVM直接对Java栈的操作只有两个：1. 每个方法执行，伴随着进栈（入栈、压栈）。2. 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）
虚拟机栈的结构

1.3.4 虚拟机栈会遇到的异常是什么？

有两种情况：

如果采用固定大小的Java虚拟机栈，当线程请求分配的栈容量超过VMS允许的最大容量后，会报异常：StackOverflowError。
如果Java虚拟机栈可以动态扩展，当线程请求分配的栈容量超过可扩展的最大容量后(也就是电脑的本地最大内存容量)，那Java虚拟机将会抛出一个 OutOfMemoryError 异常。

1.3.5 如何设置虚拟机栈内存的大小？

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。关于 -Xss 参数的使用如下：

-Xss1g  # 设置 1GB 的虚拟机栈大小
-Xss1m  # 设置 1MB
-Xss1024k  # 设置 1kb
-Xss1048576  # 默认单位为 byte

在不同的平台默认的值略有不同：
不同平台下VMS的默认大小
实战：设置 VMS Size 为不同的值，查看栈的最大深度

package com.hy;
public class VMStackDeepTest {
    private static int count = 1;
    /*
     在不设置 -Xss 的情况下： count 为 6298
     -Xss256k  count 为 4943
     -Xss512k count 为 10392
     */
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(count);
        count++;
        main(args);
    }
}

2. 栈的存储单位

2.1 虚拟机栈中存储了什么？

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，维护着方法执行过程中的各种数据信息。

2.2 虚拟机栈的运行原理

JVM直接对Java栈的操作只有两个，就是对栈帧的压栈和出栈，遵循栈的存储规则（先进后出或者后进先出的规则）。

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。
虚拟机栈的运行过程
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；另外一种是抛出异常。不管使用哪种方式，都会导致栈帧被弹出。

2.3 栈帧的内部结构

每个栈帧中存储着：

局部变量表（Local Variables）
操作数栈（Operand Stack）
动态链接（DynamicLinking）（指向运行时常量池的方法引用）
方法返回地址（return address）（方法正常退出或者异常退出的定义）
一些附加信息

一个栈帧的大小主要是看局部变量表和操作数栈的大小

3. 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、对象引用（reference），以及 returnAddress 类型。

之所以使用数字数组是因为基本数据类型都可以使用数字表示，引用类型的地址也可以使用数字表示

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
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。如果一个函数的参数和局部变量越多，局部变量表也就较为膨胀，导致栈帧所需容量变大。栈帧变大了，在 VMS 的容量不变的情况下，就会导致方法嵌套调用次数相对减少。
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。

3.1 例子

通过剖析一个例子的字节码文件，来说明局部变量表。观察下面的代码，其中创建了四个局部变量，分别为方法参数 a（数字类型），test （引用类型），data（引用类型），count（数字类型）。接下来通过 Jclasslib 插件查看字节码信息、

 public static void testStatic(int a){
     LocalVariableTest test = new LocalVariableTest();
     Date date = new Date();
     int count = 10;
     System.out.println(count);
     // 因为this变量不存在于当前方法的局部变量表中！！
	//  System.out.println(this.count);
 }

下图为 Jclasslib 查看 testStatic 方法的 Code 的内容。

Bytecode，表示该方法的字节码指令集。
Exception Table ，表示异常信息。
Misc，表示一些其他的描述。其中 code length 就是该方法使用了多少个字节码指令。

Code 的信息

下图为 Jclasslib 查看 testStatic 方法的行号表的内容。该表描述的是程序行号与字节码指令行号的对应关系。

Start PC 代表字节码指令的行号
Line Number 代表源程序中的行号
解释：源程序中的 19 行代码的操作对应着字节码指令集的起始行号为 0 。

下图为 Jclasslib 查看 testStatic 方法的本地变量表的内容。

Nr.
Start PC，代表字节码指令的行号。
Length，代表该变量的作用范围。而该方法的范围就是上面提到的 Code Length，比如变量 a 属于方法的参数，其范围对应整个方法都是有效的，所以范围是从0开始，到方法结束，所以范围长度为 Code Length 的值。
Start PC + Length 都会等于 Code Length 的值。
可以发现 a，test，data，count 都是我们定义的局部变量。
由于方法是 static 的，所以没有 this 变量。而非 static 方法是有一个 this 变量的。

3.2 slot 的理解

局部变量表，最基本的存储单元是Slot（变量槽）。
参数值的存放总是在局部变量数组的index0开始，到数组长度-1的索引结束。
局部变量表中存放编译期可知的各种基本数据类型（8种），引用类型（reference），returnAddress类型的变量。
在局部变量表里，32位以内的类型只占用一个 slot（包括returnAddress类型），64位的类型（long和double）占用两个slot。
byte、short、char 在存储前被转换为int，boolean也被转换为int，0表示false，非0表示true。
JVM会为局部变量表中的每一个Slot都分配一个访问索引，通过这个索引即可成功访问到局部变量表中指定的局部变量值。
当一个实例方法被调用的时候，它的方法参数和方法体内部定义的局部变量将会按照顺序被复制到局部变量表中的每一个slot上。
如果需要访问局部变量表中一个64bit的局部变量值时，只需要使用前一个索引即可。（比如：访问long或doub1e类型变量）
如果当前帧是由构造方法或者实例方法创建的，那么该对象引用 this 将会存放在 index 为 0 的 slot 处，其余的参数按照参数表顺序继续排列。

slot 的重复利用：
栈帧中的局部变量表中的槽位是可以重用的，如果一个局部变量过了其作用域，那么在其作用域之后申明的新的局部变就很有可能会复用过期局部变量的槽位，从而达到节省资源的目的。

public class SlotTest {
    public void localVarl() {
        int a = 0;
        System.out.println(a);
        int b = 0;
    }
    public void localVar2() {
        {
            int a = 0;
            System.out.println(a);
        }
        //此时的就会复用a的槽位
        int b = 0;
    }
}

3.3 静态变量与局部变量的对比

参数表分配完毕之后，再根据方法体内定义的变量的顺序和作用域分配。

我们知道类变量表有两次初始化的机会，第一次是在“准备阶段”，执行系统初始化，对类变量设置零值，另一次则是在“初始化”阶段，赋予程序员在代码中定义的初始值。

和类变量初始化不同的是，局部变量表不存在系统初始化的过程，这意味着一旦定义了局部变量则必须人为的初始化，否则无法使用。

public void test(){
    int i;
    System. out. println(i);
}

这样的代码是错误的，没有赋值不能够使用。

3.4 补充说明

在栈帧中，与性能调优关系最为密切的部分就是前面提到的局部变量表。在方法执行时，虚拟机使用局部变量表完成方法的传递。

局部变量表中的变量也是重要的垃圾回收根节点，只要被局部变量表中直接或间接引用的对象都不会被回收。

4. 操作数栈（Operand Stack）

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（Last-In-First-Out）的 操作数栈，也可以称之为表达式栈（Expression Stack）。Hotspot 中操作数栈是使用数组实现的一个栈结构。

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）。

例如下面的代码：

public void testAddOperation(){
    byte i = 15; 
    int j = 8; 
    int k = i + j;
}

通过 javap -v testAddOperation.class，方法 testAddOperation 的字节码指令如下：

public void testAddOperation(); 
    Code:
    0: bipush 15
    2: istore_1 
    3: bipush 8
    5: istore_2 
    6:iload_1 
    7:iload_2 
    8:iadd
    9:istore_3 
    10:return

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。

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。其中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和出栈操作来完成一次数据访问。

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帧的操作数栈中，并更新PC寄存器中下一条需要执行的字节码指令。

操作数栈中元素的数据类型必须与字节码指令的序列严格匹配，这由编译器在编译器期间进行验证，同时在类加载过程中的类检验阶段的数据流分析阶段要再次验证。

另外，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。

4.1 代码解析

通过逐步解析下方字节码指令，可以了解到操作数栈的运行过程。

public void testAddOperation(); 
    Code:
    0: bipush 15
    2: istore_1 
    3: bipush 8
    5: istore_2 
    6:iload_1 
    7:iload_2 
    8:iadd
    9:istore_3 
    10:return

通过对字节码指令的解析可以说清楚很多问题，比如常见的 i++ 与 ++i 的问题，这个放到字节码篇章时再介绍。

4.2 栈顶缓存技术（Top Of Stack Caching）技术

前面提过，基于栈式架构的虚拟机所使用的零地址指令更加紧凑，但完成一项操作的时候必然需要使用更多的入栈和出栈指令，这同时也就意味着将需要更多的指令分派（instruction dispatch）次数和内存读/写次数。

由于操作数是存储在内存中的，因此频繁地执行内存读/写操作必然会影响执行速度。为了解决这个问题，HotSpot JVM 的设计者们提出了栈顶缓存（Tos，Top-of-Stack Cashing）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。

5 动态链接（Dynamic Linking）

动态链接、方法返回地址、附加信息：这三个部分有些地方被称为帧数据区。

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。

具体的解释一下就是：当前栈帧有一个引用，这个引用是指向方法区中的常量池内被当前栈帧调用的其他方法或者全局变量。这些方法和全局变量都是符号引用，通过动态链接技术，将符号引用解析为真正的直接引用。之后通过直接引用进行方法的调用和属性的计算等相关操作。

为什么需要动态链接？
每一个字节码文件在加载执行时，需要考虑的东西要比我们编写的代码要多，比如父类，父类的父类，以及接口等都是需要加载的。这时候不可能将这些信息都放在当前字节码文件当中。通过动态链接就可以在运行时常量池中将找到这些信息。

6. 方法的调用：解析与分派

在JVM中，将符号引用转换为调用方法的直接引用与方法的绑定机制相关。

6.1 静态链接

当一个字节码文件被装载进JVM内部时，如果被调用的目标方法在编译期可知，且运行期保持不变时，这种情况下将调用方法的符号引用转换为直接引用的过程称之为静态链接。

6.2 动态链接

如果被调用的方法在编译期无法被确定下来，只能够在程序的运行时期将调用的方法的符号转换为直接引用，由于这种引用转换过程具备动态性，因此也被称之为动态链接。

静态链接和动态链接不是名词，而是动词，这是理解的关键。

6.3 方法绑定机制

对应的方法的绑定机制为：早期绑定（Early Binding）和晚期绑定（Late Binding）。绑定是一个字段、方法或者类在符号引用被替换为直接引用的过程，这仅仅发生一次。

6.3.1 早期绑定

早期绑定就是指被调用的目标方法如果在编译期可知，且运行期保持不变时，即可将这个方法与所属的类型进行绑定，这样一来，由于明确了被调用的目标方法究竟是哪一个，因此也就可以使用静态链接的方式将符号引用转换为直接引用。

方法所属的类型是指多态情况下，父类引用，子类的实例这样的情况。子类重写父类方法。这样的方法只有在运行时才能确定是调用哪一个。编译时期不不可知的。

6.3.1 晚期绑定

如果被调用的方法在编译期无法被确定下来，只能够在程序运行期根据实际的类型绑定相关的方法，这种绑定方式也就被称之为晚期绑定。

6.3.4 虚方法和非虚方法

如果方法在编译期就确定了具体的调用版本，这个版本在运行时是不可变的。这样的方法称为非虚方法。

静态方法、私有方法、final方法、实例构造器、父类方法都是非虚方法。其他方法称为虚方法。

静态方法、私有方法、final方法这三个都是不能进行方法重写的，自然不具备多态性，在编译时期就是可以确定的。

在类加载的解析阶段就可以进行解析，如下是非虚方法举例：

class Father{
    public static void print(String str){
        System. out. println("father "+str); 
    }
    private void show(String str){
        System. out. println("father"+str);
    }
}

class Son extends Father{}

public class VirtualMethodTest{
    public static void main(String[] args){
        Son.print("coder");  // 静态方法属于非虚方法。
    }
}

6.4 方法的调用指令

普通调用指令
invokestatic：调用静态方法。解析阶段确定唯一方法版本。
invokespecial：调用方法，私有及父类方法，解析阶段确定唯一方法版本。
invokevirtual：调用说有虚方法。
invokeinterface：调用接口方法。

动态调用指令：

invokedynamic：动态的解析出需要调用的方法，然后执行。
JVM字节码指令集一直比较稳定，一直到Java7中才增加了一个invokedynamic指令，这是Java为了实现动态类型语言支持而做的一种改进。
但是在Java7中并没有提供直接生成invokedynamic指令的方法，需要借助ASM 这种底层字节码工具来产生 invokedynamic 指令。直到 Java8 的Lambda 表达式的出现，invokedynamic 指令的生成，在 Java 中才有了直接的生成方式。
Java7 中增加的动态语言类型支持的本质是对 Java 虚拟机规范的修改，而不是对 Java 语言规则的修改，这一块相对来讲比较复杂，增加了虚拟机中的方法调用，最直接的受益者就是运行在 Java 平台的动态语言的编译器。

前四条指令固化在虚拟机内部，方法的调用执行不可人为干预，而invokedynamic指令则支持由用户确定方法版本。其中invokestatic指令和invokespecial指令调用的方法称为非虚方法，其余的（fina1修饰的除外）称为虚方法。

什么是动态类型语言和静态类型语言？
动态类型语言和静态类型语言两者的区别就在于对类型的检查是在编译期还是在运行期，满足前者就是静态类型语言，反之是动态类型语言。

6.5 从虚拟机的角度解释方法重写

找到操作数栈顶的第一个元素所执行的对象的实际类型，记作C。
如果在类型C中找到与常量中的描述符合简单名称都相符的方法，则进行访问权限校验，如果通过则返回这个方法的直接引用，查找过程结束；如果不通过，则返回java.lang.IllegalAccessError 异常。
否则，按照继承关系从下往上依次对C的各个父类进行第2步的搜索和验证过程。
如果始终没有找到合适的方法，则抛出java.lang.AbstractMethodsrror异常。

6.6 虚方法表

在面向对象的编程中，会很频繁的使用到动态分派，如果在每次动态分派的过程中都要重新在类的方法元数据中搜索合适的目标的话就可能影响到执行效率。因此，为了提高性能，JVM采用在类的方法区建立一个虚方法表（virtual method table）（非虚方法不会出现在表中）来实现。使用索引表来代替查找。

每个类中都有一个虚方法表，表中存放着各个方法的实际入口。虚方法表会在类加载的链接阶段被创建并开始初始化，类的变量初始值准备完成之后，JVM会把该类的方法表也初始化完毕。

举例：
下图中 Father 类中有两个方法（白色部分），Son 继承了 Father 类，并且只重写了这两个方法，没有重写 Object 类中的方法。此时，Father 类与 Son 类中各自的虚方法表会记录属于自己的虚方法引用。这样在调用时，不会在一级一级的向上级父类去寻找对应的方法，直接在虚方法表中便可查找到需要执行的方法。
虚方法表举例1
举例2：
只要是被子类重写的方法，在子类中的虚方法表中都会有记录。
虚方法表2

7. 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。

当一个方法开始执行后，只有两种方式可以退出这个方法：

执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令（return），会有返回值传递给上层的方法调用者，简称正常完成出口；在字节码指令中，返回指令包含ireturn（当返回值是boolean，byte，char，short和int类型时使用），lreturn（Long类型），freturn（Float类型），dreturn（Double类型），areturn（引用类型）。另外还有一个return指令声明为void的方法，实例初始化方法，类和接口的初始化方法使用。
在方法执行过程中遇到异常（Exception），并且这个异常没有在方法内进行处理，也就是只要在本方法的异常表中没有搜索到匹配的异常处理器，就会导致方法退出，简称异常完成出口。

方法执行过程中，抛出异常时的异常处理，存储在一个异常处理表，方便在发生异常的时候找到处理异常的代码。下方是一个异常处理表。from 和 to 代表出现异常的字节码的行号，target 代表异常该如何处理的行号，type 代表处理的是什么类型的异常。

当在字节码指令的第4到16行出现了异常，就按照第19行的字节码指令处理，处理的类型为 any 。

Exception table:
from to target type
4	 16	  19   any
19	 21	  19   any

本质上，方法的退出就是当前栈帧出栈的过程。此时，需要恢复上层方法的局部变量表、操作数栈、将返回值压入调用者栈帧的操作数栈、设置PC寄存器值等，让调用者方法继续执行下去。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。

8. 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。

9. 栈的相关面试题

举例栈溢出的情况？（StackOverflowError）
- 通过 -Xss 设置栈的大小
调整栈大小，就能保证不出现溢出么？
- 不能保证不溢出
分配的栈内存越大越好么？
- 不是，一定时间内降低了OOM概率，但是会挤占其它的线程空间，因为整个空间是有限的。
垃圾回收是否涉及到虚拟机栈？
- 不会
方法中定义的局部变量是否线程安全？
- 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（没有发生逃逸），那么它就是线程安全的，反之则是线程不安全的。