JVM虚拟机栈

1.虚拟机栈

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

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。（方法中的局部变量）
• 堆解决的是数据存储的问题，即数据怎么放，放哪里,主体的数据在堆中放（对象）
• 

1.3 虚拟机栈的基本内容

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
• 一个方法对应一个栈帧的入栈和出栈

举例

public class StackTest {

    public static void main(String[] args) {
        StackTest test = new StackTest();
        test.methodA();
    }

    public void methodA() {
        int i = 10;
        int j = 20;

        methodB();
    }

    public void methodB() {
        int k = 30;
        int m = 40;
    }

}

声明周期

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

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（属性）
基本数据类型变量 VS 引用类型变量（类、数组、接口）

1.3.1 虚拟机栈的特点

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。(一个线程完就完成了)

• 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 (GC) 问题（栈存在溢出的情况OOM）

什么是OOM？
OOM，全称“Out Of Memory”，翻译成中文就是“内存用完了”，来源于java.lang.OutOfMemoryError。看下关于的官方说明： Thrown when the Java Virtual Machine cannot allocate an object because it is out of memory, and no more memory could be made available by the garbage collector. 意思就是说，当JVM因为没有足够的内存来为对象分配空间并且垃圾回收器也已经没有空间可回收时，就会抛出这个error（注：非exception，因为这个问题已经严重到不足以被应用处理）。

为什么会OOM？
为什么会没有内存了呢？原因不外乎有两点：
1）分配的少了：比如虚拟机本身可使用的内存（一般通过启动时的VM参数指定）太少。
2）应用用的太多，并且用完没释放，浪费了。此时就会造成内存泄露或者内存溢出。

• 内存泄露：申请使用完的内存没有释放，导致虚拟机不能再次使用该内存，此时这段内存就泄露了，因为申请者不用了，而又不能被虚拟机分配给别人用。

• 内存溢出：申请的内存超出了JVM能提供的内存大小，此时称之为溢出。
  栈 ：羽毛球桶 （先进后出）
  队列：先来后到 排队（先进先出）

1.3.2 虚拟机栈的异常

面试题：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。简称：栈溢出
  • 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。

栈异常演示

/**
 * 演示栈中的异常：StackOverflowError
 * @author xiexu
 * @create 2020-11-20 10:10 下午
 */
public class StackError {

    public static void main(String[] args) {
        main(args);
    }

}

1.3.3 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。
-Xss1024m // 栈内存为 1024MBS
-Xss1024k // 栈内存为 1024KB

/**
 * 演示栈中的异常：StackOverflowError
 *
 * 默认情况下：count = 10824
 * 设置栈的大小：-Xss256k  count = 1874
 *
 */
public class StackError {

    private static int count = 1;

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(count);
        count++;
        main(args);
    }

}
说明：可以看到，没有设置栈内存大小的时候，程序可以递归10824次
当我们缩小栈内存大小，设置为256k时，程序递归1874次

2.栈的存储单位

栈中存储什么？

• 每个线程都有自己的栈，栈中的数据都是以栈帧（Stack Frame）为基本单位存储的

• 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）。

  • 一个方法的执行对应一个栈帧的入栈，一个方法的执行结束对应一个栈帧的出栈

• 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。

  • OOP的概念：类，对象
  • 类中的基本结构：filed（属性，字段，域），method

2.1 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。
• 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，但不管使用哪种方式，都会导致栈帧被弹出
  • 一种是正常的函数返回，使用 return 指令
  • 另外一种是抛出异常
    

public class StackFrameTest {
    public static void main(String[] args) {
        StackFrameTest test = new StackFrameTest();
        test.method1();
    }

    public void method1() {
        System.out.println("method1()开始执行...");
        method2();
        System.out.println("method1()执行结束...");
    }

    public int method2() {
        System.out.println("method2()开始执行...");
        int i = 10;
        int m = (int)method3();
        System.out.println("method2()即将结束...");
        return i + m;
    }

    public double method3() {
        System.out.println("method3()开始执行...");
        double j = 20.0;
        System.out.println("method3()即将结束...");
        return j;
    }
}

method1()开始执行...
method2()开始执行...
method3()开始执行...
method3()即将结束...
method2()即将结束...
method1()执行结束...

main->method1->method2->method3->return（method3出栈）->return（method2出栈）->return（method3出栈）->main方法->主线程（每一个各自对应当前栈帧）

2.2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（Dynamic Linking）（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

一个栈何以设置成固定大小或者去扩展

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

多个线程

3.局部变量表

3.1 局部变量表介绍

• 局部变量表：Local Variables，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(返回值) 类型。
• 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。
  (多个线程操作共享数据，有可能会出现线程安全问题)
• 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，运行时是不会改变的maximum

代码演示

public class LocalVariablesTest {
    private int count = 0;

    public static void main(String[] args) {
        LocalVariablesTest test = new LocalVariablesTest();
        int num = 10;
        test.test1();
    }

    public void test1() {
        Date date = new Date();
        String name1 = "baidu.com";
        String info = test2(date, name1);
        System.out.println(date + name1);
    }

    public String test2(Date dateP, String name2) {
        dateP = null;
        name2 = "xiexu";
        double weight = 185.5;//占据两个slot
        char gender = '男';
        return dateP + name2;
    }

}

每一个方法就相当于一个栈帧
先把main方法相当于一个栈帧加载进去

)

小练习

length有效长度

• 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。（兔死狗烹，唇亡齿寒）

举例说明：局部变量表所需的容量大小是在编译期确定下来的
简单来说 局部变量表存在的都是方法内部定义的形参，局部变量值，返回值等等

3.2 关于 Slot 的理解

• 参数值的存放总是从局部变量数组索引 0 的位置开始，到数组长度-1的索引结束。
• 局部变量表，最基本的存储单元是Slot（变量槽）
• 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 引用类型、returnAddress类型），64位的类型（long和double）占用两个slot。
  • byte、short、char 、float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
  • long 和 double 则占据两个Slot

long double 8个字节 1个字节8位 8*8=64位

• 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double类型变量）
• 如果当前帧是由构造方法或者实例方法(非静态方法) 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。
  
  long 调1 double调4
  调用按声名顺序调用

64位的类型（long和double）占用两个slot

public String test2(Date dateP, String name2) {
        dateP = null;
        name2 = "xiexu";
        double weight = 185.5; //占据两个slot
        char gender = '男';
        return dateP + name2;
    }

可以看到，weight为double类型，索引从3直接跳到5，说明double占据两个slot

static方法无法调用this

public static void testStatic() {
        LocalVariablesTest test = new LocalVariablesTest();
        Date date = new Date();
        int count = 10;
        System.out.println(count);
        //因为this变量不存在于该静态方法的局部变量表中！！！
//        System.out.println(this.count);
    }

3.3 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，如果一个局部变量出了其作用域，那么在其作用域之后声明新的局部变量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 void test4() {
        int a = 0;
        {
            int b = 0;
            b = a + 1;
        }
        //变量c使用 之前已经销毁的变量b占据的slot的位置
        int c = a + 1;
    }

变量c使用 之前已经销毁的变量b占据的slot的位置
可以看到，局部变量c 重用了 局部变量b 的slot位置

3.4局部变量和静态变量的对比

变量的分类：
按照数据类型： 1.基本数据类型 ， 2.引用数据类型
按照声名的位置：

• 1.成员变量 ，在使用前都经历过初始化赋值

  •   类变量  ：linking的preprer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
    

  •  实例变量（无static）：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
    

• 2.局部变量：在使用前必须要进行显式赋值！否则编译不通过
  
  错误信息：变量未进行初始化

• 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。

· 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。