6_Java 虚拟机栈-优快云博客

👉写在前面：JVM 内存只有 Java 栈和 Java 堆吗？Java 栈与线程的关系是什么？Java 栈会发生溢出吗？可以怎样调整其大小？Java 栈里面存放的什么？栈帧中的局部变量一定是线程安全的吗？Java 栈中是否存在垃圾回收？

6_Java 虚拟机栈

虚拟机栈概述

有不少 Java 开发人员一提到Java内存结构，就会非常粗粒度地将JVM中的内存区理解为仅有 Java 堆（heap）和 Java 栈（stack）？为什么？

$\color{green}{首先栈是运行时的单位，而堆是存储的单位。}$

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

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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。

栈帧：每个方法执行的同时都会创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息，每个方法从调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机中入栈到出栈的过程。

同时，Java 栈是线程私有的。

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再比如，在 Java 中，test() 和 main() 都是方法，而在栈中，称为栈帧。在栈中，main()都是第一个入栈的。

栈的顺序为：main()入栈 --> test()入栈 --> test()出栈 --> main()出栈。

再来，接着观察下图，在图中一个栈中有两个栈帧，分别是Stack Frame1和Stack Frame2，对应方法1和方法2。其中Stack Frame2是最先被调用的方法2，所以它先入栈。然后方法2又调用了方法1，所以Stack Frame1处于栈顶位置。执行完毕后，依次弹出Stack Frame1和Stack Frame2，然后线程结束，栈释放。
所以，每执行一个方法都会产生一个栈帧，并保存到栈的顶部，顶部的栈帧就是当前所执行的方法，该方法执行完毕后会自动出栈。
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总结如下，栈中的数据都是以栈帧（Stack Frame）的格式存在，栈帧是一个内存区块，是一个数据集，是一个有关方法（Method）和运行期数据的数据集，当一个方法A被调用时就产生了一个栈帧F1，并被压入到栈中，方法A中又调用了方法B，于是产生栈帧F2也被压入栈中，方法B又调用方法C，于是产生栈帧F3也被压入栈中······执行完毕后，遵循“先进后出，后进先出”的原则，先弹出F3栈帧，再弹出F2栈帧，再弹出F1栈帧。

生命周期

$\color{Gold}{生命周期和线程一致，也就是线程结束了，该虚拟机栈也销毁了。}$

作用

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。

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）

栈的特点

栈是一种快速有效的分配存储方式，JVM直接对Java栈的操作只有两个：

每个方法执行，伴随着 $\color{red}{进栈}$ （入栈、压栈）
执行结束后的 $\color{red}{出栈}$ 工作

同时，对于栈来说不存在垃圾回收问题（栈存在溢出的情况）。

你这样想，加入有存在垃圾等着被回收的话，那岂不是栈就被堵住了。

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开发中遇到哪些异常？

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。

此时是固定的 Java 栈没有内存可分配了，报 Error，和我们平时说的异常不一样。

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。

Java 栈分配了 JVM 虚拟机的内存，但此时 Java 栈想要扩展，没有可分配的内存了，报 Error。【和堆内存溢出报的错一样】

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当栈深度达到 9656 的时候，就出现栈内存空间不足，就是因为不断调用方法，不断入栈创建栈帧，导致栈内存不足。

设置栈内存大小

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

- Xss1m
- Xss1k

这里我们将栈内存设置为 2m，

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相比默认的栈内存1m，此时栈深度达到了 19737 才报栈内存空间不足。

栈的存储单位

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。

栈中存储什么？

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。

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栈运行原理

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 $\color{green}{正常的函数返回}$ ，使用 return 指令；另外一种是 $\color{red}{抛出异常。}$ 不管使用哪种方式，都会导致栈帧被弹出。

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）（或表达式栈）
动态链接（DynamicLinking）（或指向运行时常量池的方法引用）
方法返回地址（Return Address）（或方法正常退出或者异常退出的定义）
一些附加信息

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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
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关于栈帧的内部结构的具体探讨，这里没有放上来。

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

/**
 * 面试题
 * 方法中定义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，则此数据是共享数据，如果不考虑共享机制，则为线程不安全
 */
public class StringBuilderTest {

    // s1的声明方式是线程安全的
    public static void method01() {
        // 线程内部创建的，属于局部变量
        StringBuilder s1 = new StringBuilder();
        s1.append("a");
        s1.append("b");
    }

    // 这个也是线程不安全的，因为有返回值，有可能被其它的程序所调用
    public static StringBuilder method04() {
        StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
        stringBuilder.append("a");
        stringBuilder.append("b");
        return stringBuilder;
    }

    // stringBuilder 是线程不安全的，操作的是共享数据
    public static void method02(StringBuilder stringBuilder) {
        stringBuilder.append("a");
        stringBuilder.append("b");
    }


    /**
     * 同时并发的执行，会出现线程不安全的问题
     */
    public static void method03() {
        StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
        new Thread(() -> {
            stringBuilder.append("a");
            stringBuilder.append("b");
        }, "t1").start();

        method02(stringBuilder);
    }

    // StringBuilder是线程安全的，但是String也可能线程不安全的
    public static String method05() {
        StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
        stringBuilder.append("a");
        stringBuilder.append("b");
        return stringBuilder.toString();
    }
}