JVM——内存模型（二）：虚拟机栈与本地方法栈

本篇文章将继续认识Java虚拟机中的内存模型，今天要认识的是我们常说的"栈”。

栈其实也分两种，一种是虚拟机栈，一种是本地方法栈。而我们平常说的最多的，就是虚拟机栈。接下来就让我们走进这两个栈，看看他们是个啥。

1.虚拟机栈

虚拟机栈，即Java Virtual Machine Stacks，描述的是Java方法执行的内存模型。

每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧，即Stack Frame，用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。从这里我们也可以知道，每一个方法从调用到执行完成的过程，就对应这一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

方法调用时，创建栈帧，并压入虚拟机栈；方法执行完毕，栈帧出栈并被销毁，其过程如下图所示：

在平常的学习交流中，我们可以发现，可多人将Java的内存区分为堆内存（Heap）和栈内存（Stack）（显然，这种分法非常粗糙，从上图我们就可以看出，Java的内存区要比这复杂得多。 ），这里面说的栈内存，就是咱们现在正在了解的虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中的局部变量表部分。

2.局部变量表

从上文我们可以知道，栈帧中存放着局部变量表、操作数栈、动态链接和方法出口等。这里我们重点认识一下局部变量表。

局部变量表存放了编译期可知的各种数据类型，都有哪些呢？

• 各种基本数据类型，即boolean、byte、char、short、int、float、long、double，以及对象引用
• 对象引用，即reference类型，它不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的地址。
• returnAddress类型，指向了一条字节码指令的地址。

需要注意的是，64位长度的long和double类型的数据会占用两个局部变量空间（Slot），其余的数据类型只占用一个。

那么局部变量表的内存空间在什么时候分配呢？

上文说到，局部变量表存放了编译期可知的各种数据类型，因此局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在栈帧分配多大的局部变量空间是完全确定的，而在方法运行期间也不会改变局部变量表的大小。

 

3.虚拟机栈的特点

与程序计数器一样，虚拟机栈是线程隔离的，即每个线程都有自己独立的虚拟机栈。

 

4.虚拟机栈的异常状况

在Java虚拟机规范中，对Java虚拟机栈规定了两种异常的状况：

• 如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；
• 如果虚拟机栈可以动态扩展，如果扩展时无法申请到足够的内存，将抛出OutOfMemoryError异常。

4.1 StackOverflowError

JVM会为每个线程的虚拟机栈分配一定的内存大小（-Xss参数），因此虚拟机栈能够容纳的栈帧数量是有限的，若栈帧不断进栈而不出栈，最终会导致当前线程虚拟机栈的内存空间耗尽，典型如一个无结束条件的递归函数调用，代码见下：

package javatest;
/**
 * java栈溢出StackOverFlowError
 * 
 * Created by chenjunyi on 2018/4/25.
 */
public class JvmStackoverflowtest {
    private int stackLength = -1;
    //通过递归调用造成StackOverFlowError
    public void stackLeak() {
        stackLength++;
        stackLeak();
    }
    public static void main(String[] args) {
        JvmStackoverflowtest Searchin = new JvmStackoverflowtest();
        try {
               Searchin.stackLeak();
        } catch (Throwable e) {
            System.out.println("Stack length:" + Searchin.stackLength);
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

 程序运行结果如下：

 

 

 

4.2 OutOfMemoryError

不同于StackOverflowError，OutOfMemoryError指的是当整个虚拟机栈内存耗尽，并且无法再申请到新的内存时抛出的异常。

JVM未提供设置整个虚拟机栈占用内存的配置参数。虚拟机栈的最大内存大致上等于“JVM进程能占用的最大内存（依赖于具体操作系统） - 最大堆内存 - 最大方法区内存 - 程序计数器内存（可以忽略不计） - JVM进程本身消耗内存”。当虚拟机栈能够使用的最大内存被耗尽后，便会抛出OutOfMemoryError。

可以通过不断开启新的线程来模拟这种异常，代码如下：

**
 * java栈溢出OutOfMemoryError
 * JVM参数：-Xss2m
 * Created by chenjunyi on 2018/4/25.
 */
public class JavaVMStackOOM {

    private void dontStop() {
        while (true) {
        }
    }

    //通过不断的创建新的线程使Stack内存耗尽
    public void stackLeakByThread() {
        while (true) {
            Thread thread = new Thread(() -> dontStop());
            thread.start();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        JavaVMStackOOM oom = new _03_JavaVMStackOOM();
        oom.stackLeakByThread();
    }

}

设置单个线程虚拟机栈的占用内存为2m并不断生成新的线程，最终虚拟机栈无法申请到新的内存，抛出异常：

 Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread

注：这个例子容易玩爆内存，不要轻易尝试，知道有这个东西就行。 

5.本地方法栈（Native Method Stack）

本地方法栈的功能和特点类似于虚拟机栈，均具有线程隔离的特点以及都能抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

他们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码），而本地方法为虚拟机使用到的Native方法服务。

在虚拟机规范中对于本地方法栈中方法使用的语言、使用的方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机（譬如Sun HotSpot虚拟机，即我们现在大多数人用的这个虚拟机）直接就把本地方法栈与虚拟机栈合二为一啦。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

 

 

 

好啦，以上就是关于虚拟机栈与本地方法栈的相关知识总结啦，如果大家有什么不明白的地方或者发现文中有描述不好的地方，欢迎大家留言评论，我们一起学习呀。

 

Biu~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~pia！