java虚拟机栈解读

news2024/9/17 7:48:44

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。

初步印象 

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? 

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

虚拟机栈基本内容 

 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,是线程私有的。

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

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。

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)

面试题:开发中遇到哪些异常(StackOverflowError)? 

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。
public static void main(String[] args) {
    test();
}
public static void test() {
    test();
}
//抛出异常:Exception in thread"main"java.lang.StackoverflowError
//程序不断的进行递归调用,而且没有退出条件,就会导致不断地进行压栈。

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

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)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,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。

public class CurrentFrameTest{
    public void methodA(){
        system.out.println("当前栈帧对应的方法->methodA");
        methodB();
        system.out.println("当前栈帧对应的方法->methodA");
    }
    public void methodB(){
        System.out.println("当前栈帧对应的方法->methodB");
    }

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

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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