JVM笔记：java虚拟机栈

在《JVM笔记: JVM内存模型》 中对java虚拟机栈进行了简单的介绍。这一篇文章主要是对java虚拟机栈进行详细的介绍。

java虚拟机是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是java方法执行的线程内存模型，每个方法被执行的时候，java虚拟机都会同步创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机中从入栈到出栈的过程。

存储内容

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。

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。如果程序使用了很深的递归函数，而栈内存又非常小，此时很有可能发生栈溢出(java.lang.StackOverflowError)的情况。

每一个线程都有独立的栈空间。如果想尽量多跑一些线程的话，就尽量将栈内存缩小，而不是增大。

设置单个线程栈大小，一般默认512~1024kb。单个线程栈大小跟操作系统和JDK版本都有关系 -Xss = -XX:ThreadStackSize。

下面使用递归函数来举例：

public class TestStackDeep {

    private static int count = 0;

    public static void recusion(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++;
        recusion(a,b,c);
    }

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

代码中，递归函数每一次都会记录调用的次数，当发生栈溢出时，catch会抛出异常，

首先将栈大小设置为256K；

运行结果如下：

可以看到执行了722次递归方法后抛出了java.lang.StackOverflowError栈内存溢出异常。

接着把栈内存调整为512K

运行结果如下：

可以看到执行了2243次递归方法后抛出了java.lang.StackOverflowError栈内存溢出异常。

这个例子说明栈的大小决定了递归函数的深度，原因是因为栈需要存储每一次递归函数的局部变量以及内部参数，当有几千次递归的时候，栈内存就存储了几千次的局部变量以及参数，久而久之就会栈内存溢出。所以一般出现java.lang.StackOverflowError栈溢出异常时，通常是因为程序调用的层数过深。

如果我们想要在有限的栈内存执行一定深度的递归函数，此时需要减少在递归函数中的局部变量数、内部参数数量，使得栈内存中的栈帧的局部变量表、以及成员变量参数空间压力小一些。

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。

内部结构

Java虚拟机以方法作为最基本的执行单元，“栈帧”（Stack Frame）则是用于支持虚拟机进行方法调用和方法执行背后的数据结构，它也是虚拟机运行时数据区中的虚拟机栈（Virtual MachineStack）的栈元素。栈帧存储了方法的局部变量表、操作数栈、动态连接和方法返回地址等信息。

每个栈帧中包括:

• 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(ReturnAddress)(或方法正常退出或者异常退出的定义)
• 一些附加信息

局部变量表（Local Variables Table）

局部变量表也被称之为局部变量数组或本地变量表，
局部变量表是一组变量值的存储空间，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（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用(reference)，以及 returnAddress类型。

局部变量表的容量以变量槽（Variable Slot）为最小单位，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。基本数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽（Slot）来表示，其中64位长度的long和double类型的数据会占用两个变量槽，其余的数据类型只占用一个。

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maximum 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。

slot

参数值的存放总是在局部变量数组的index0开始，到数组长度-1的索引结束。Slot(变量槽)是局部变量表最基本的存储单元。

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志中的每一个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办法创建的，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。

栈帧中的局部变量表中的槽位是可以重用的，如果一个局部变量过了其作用域，那么在其作用域之后申明的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 class SlotTest {
    public void localvarl() {
        int a = 0;
        System.out.println(a); 
        int b = 0;
        
    }
    public void localVar2() {
        {
            int a = 0;
            System.out.println(a);
            
        }
        //此时的b就会复用a的槽位 
        nt b = 0;
    }
}

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。

操作数栈

每一个独立的栈帧中除了包含局部变量表以外，还包含一个后进先出(Last-In-First-Out)的操作数栈，也可以称之为表达式栈(Expression Stack)。

操作数栈，在方法执行过程中，根据字节码指令，往栈中写入数据或提取数据，即入栈(push)/出栈(pop)。

某些字节码指令将值压入操作数栈，其余的字节码指令将操作数取出栈。使用它们后再把结果压入栈。比如:执行复制、交换、求和等操作。

操作数栈，主要用于保存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。

操作数栈就是JVM执行引擎的一个工作区，当一个方法刚开始执行的时候，一个新的栈帧也会随之被创建出来，这个方法的操作数栈是空的。每一个操作数栈都会拥有一个明确的栈深度用于存储数值，其所需的最大深度在编译期就定义好了，保存在方法的Code属性中，为maxstack的值。

栈中的任何一个元素都是可以任意的Java数据类型。

• 32bit的类型占用一个栈单位深度
• 64bit的类型占用两个栈单位深度

操作数栈并非采用访问索引的方式来进行数据访问的，而是只能通过标准的入栈(push)和出栈(pop)操作来完成一次数据访问。

如果被调用的方法带有返回值的话，其返回值将会被压入当前栈帧的操作数栈中，并更新PC寄存器中下一条需要执行的字节码指令。操作数栈中元素的数据类型必须与字节码指令的序列严格匹配，这由编译器在编译器期间进行验证，同时在类加载过程中的类检验阶段的数据流分析阶段要再次验证。另外，我们说Java虚拟机的解程引擎是基于栈的执行引擎，其中的栈指的就是操作数栈。

public class TestAddOperation {

    public  void TestAddOperation(){
        byte numOne = 15;
        int numTwo = 8;
        int resultNum = numOne+numTwo;
    }
}

动态连接

每一个栈帧内部都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用。包含这个引用的目的就是为了支持当前方法的代码能够实现动态连接(Dynamic Linking)。比如:invokedynamic指令。

在Java源文件被编译到字节码文件中时，所有的变量和方法引用都作为符号引用(SymbolicReference)保存在class文件的常量池里。比如:描述一个方法调用了另外的其他方法时，就是通过常量池中指向方法的符号引用来表示的，那么动态链接的作用就是为了将这些符号引用转换为调用方法的直接引用。

方法返回地址

当一个方法开始执行后，只有两种方式可以退出这个方法:

方法一：执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令(return)，会有返回值传递给上层的方法调用者，方法是否有返回值以及返回值的类型将根据遇到何种方法返回指令来决定。简称正常完成出口;

方法二：在方法执行的过程中遇到了异常，并且这个异常没有在方法体内得到妥善处理。无论是Java虚拟机内部产生的异常，还是代码中使用athrow字节码指令产生的异常，只要在本方法的异常表中没有搜索到匹配的异常处理器，就会导致方法退出，这种退出方法的方式称为“异常调用完成（Abrupt Method Invocation Completion）”。一个方法使用异常完成出口的方式退出，是不会给它的上层调用者提供任何返回值的。

方法退出的过程实际上等同于把当前栈帧出栈，无论何种方式退出，在方法退出后，都必须返回到最初被调用的位置，程序才能被继续执行。