Java栈与栈上分配

一. java栈：

java栈是一块线程私有的内存空间。如果说，java堆和程序数据密切相关，那么java栈就是和线程执行密切相关的。线程执行的基本行为是函数调用,每次函数调用的数据都是通过Java栈传递的。

java heap,java stack 与Javametaspace之间的关系：

00001.png

特点：

• 线程私有
• 栈由一系列帧组成（因此Java栈也叫做帧栈）
• 帧保存一个方法的局部变量、操作数栈、常量池指针
• 每一次方法调用创建一个帧，并压栈

1.栈的结构和组成：

1）栈的结构:

• 这是一块先进后出的数据结构，只支持出栈和入栈两种操作。在java栈中保存的主要内容是栈帧。每一次函数调用都会有一个相应的栈帧入栈，每个函数调用结束，都有一个栈帧弹出java栈。当前正在执行的函数对应的栈就是当前的帧（位于栈顶）。
• 每个栈帧中，至少包含局部变量表，操作数栈和帧数据区几个部分。
• 注意由于每次函数调用都会生成栈帧并占有一定的栈空间。因此如果栈空间不足，函数调用就无法进行下去。系统就会抛出StackOverflowOver栈溢出的错误。例如递归时，会有很多栈帧入栈。jvm提供了-Xss来指定线程的最大栈空间，这个参数决定了函数调用的深度。

2）栈组成：

栈由栈帧组成，栈帧由局部变量表，操作数栈，帧数据区组成。

• 局部变量表：
  用于保存函数的参数（实参）变量和局部变量。局部变量表中的变量只在当前函数调用中有效，当函数调用结束后，随着函数栈帧的销毁，局部变量表也会随之销毁。

• 操作数栈：
  栈帧的一部分，也是个先入先出的数据结构。用于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。

public static int add(int a,int b){
   int c=0;
   c=a+b;
   return c;
}

调用函数的过程：
0: iconst_0 // 0压栈
1: istore_2 // 弹出int，存放于局部变量2
2: iload_0 // 把局部变量0压栈
3: iload_1 // 局部变量1压栈
4: iadd //弹出2个变量，求和，结果压栈
5: istore_2 //弹出结果，放于局部变量2
6: iload_2 //局部变量2压栈
7: ireturn //返回

a,b变量的值分别是100和98,以下是操作数栈的工作原理以及和局部变量表的关系：

00002.jpeg

• 帧数据区：
  栈帧需要数据开支持常量池解析，正常方法返回和异常处理等
  以下的例子是个递归，没有递归的出口，会出现栈溢出，并打印递归的深度。

 public class TestStackDeep {
    private static int count=0;
    public static void recursion(long a,long b,long c){
        long e=1,f=2,g=3,h=4,i=5,k=6,q=7,x=8,y=9,z=10;
        count++;
        System.out.println(count);
        recursion(a, b, c);
    }

    public static void recursion(){
        count++;
        System.out.println(count);

        recursion();
    }

    public static void main(String[] args) {
        try {
//          recursion(0L,0L,0L);
            recursion();
        }catch (Exception e){
            System.out.println("deep of calling="+count);
            e.fillInStackTrace();
        }
    }
}

影响栈空间使用的因素：
1.阐述列表的参数多。
2.递归的深度过深了。

• -Xss256k:
  deep of calling=568
  递归调用了568次

• -Xss512k:
  deep of calling=3030
  递归调用了568次

• Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
  栈溢出，栈的空间满了。可以通过减少参数或局部变量的个数，减少栈空间的占用，达到函数多调用几次的目的。

• 调用recursion(a, b, c);-Xss256k：
  最大深度716

• 调用调用recursion（），-Xss256k：
  最大深度1963

• 可以看到在相同的栈容量下，局部变量少的函数可以支持更深的函 数调用。

二.栈上分配：

栈上分配是jvm的一个优化技术，对于那些线程私有的对象，可以将它们分配在栈上，而不是堆上。栈上分配的好处是可以在函数调用后自行销毁，而不是GC介入，从而提升了系统的性能。
栈上分配的基础是逃逸分析，逃逸分析的目的是判断对象的作用域是否有可能逃逸出函数体。
函数alloc()内的变量b是线程私有的局部变量，

public class OnStackTest {
    public static void alloc(){
        byte[] b=new byte[2];
        b[0]=1;
    }

    public static void main(String[] args) {
        long b=System.currentTimeMillis();
        for(int i=0;i<100000000;i++){
            alloc();
        }
        long e=System.currentTimeMillis();
        System.out.println(e-b);
    }
}

• 第一种运行方式：-server -Xmx10m -Xms10m -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGC

• 这种方式new对象在栈上分配，gc不参与回收，因为变量仅仅在栈上分配空间，降低gc的工作量，同时防止堆上的空间被占用
  输出结果 5 效率很高。

• 第二种运行方式：-server -Xmx10m -Xms10m -XX:-DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGC
  这种方式new对象在java堆上分配，gc参与释放
  输出结果：
  ……
  [GC 3550K->478K(10240K), 0.0000977 secs]
  [GC 3550K->478K(10240K), 0.0001361 secs]
  [GC 3550K->478K(10240K), 0.0000963 secs]
  564
  GC的效率明显低于栈上分配对栈帧的销毁的效率。

• 小对象（一般几十个bytes），在没有逃逸的情况下，可以直接分配在栈上

• 直接分配在栈上，可以自动回收，减轻GC压力
  大对象或者逃逸对象无法栈上分配

逃逸分析：
下面的代码显示了一个逃逸的对象：因为代码中的User的作用域是整个Main Class，所以user对象是可以逃逸出函数体的。

public class PartionOnStack {
   static class User{
    private int id;
    private String name;
    public User(){}
       }
    private static  User user;//在这里逃逸
    public static void foo() {
    user=new User();
    user.id=1;
    user.name="sixtrees";
    }
    public static void main(String[] args) {
    foo();
    }
}

下面的代码展示的则是一个不能逃逸的代码段。（不能逃逸的才能栈上分配）

public class PartionOnStack {
    class User{
    private int id;
    private String name;
    public User(){}
       }
    public  void foo() {
    User user=new User();
    user.id=1;
    user.name="sixtrees";
    }
    public static void main(String[] args) {
    PartionOnStack pos=new PartionOnStack();
    pos.foo();
    }
}

总结：
*小对象（一般几十个bytes），在没有逃逸的情况下，可以直接分配在栈上
*直接分配在栈上，可以自动回收，减轻GC压力
*大对象或者逃逸对象无法栈上分配