【基础篇】九、程序计数器 && JVM栈

文章目录

  • 0、运行时数据区域
  • 1、程序计数器
  • 2、JVM栈
  • 3、JVM栈--栈帧--局部变量表
  • 4、JVM栈--栈帧--操作数栈
  • 5、JVM栈--栈帧--桢数据
  • 6、栈溢出
  • 7、设置栈空间大小
  • 8、本地方法栈

0、运行时数据区域

【基础篇】九、程序计数器 && JVM栈_第1张图片

JVM结构里,类加载器下来,到了运行时数据区域,即Java程序运行时,JVM管理的内存区域,其又分为:

【基础篇】九、程序计数器 && JVM栈_第2张图片

栈这里可以细划分为两部分:

  • Java虚拟机栈:保存在Java中的方法
  • 本地方法栈:保存的native方法,c++实现的那些

1、程序计数器

程序计数器(Program Counter Register)也叫PC寄存器,每个线程会通过它来记录接下来要执行的的字节码指令的地址

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举个例子:

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类加载阶段,类加载器将字节码指令读到内存中后,将原来的偏移量改为内存地址,每条字节码指令都对应一个内存地址

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执行完当前这一条指令后,JVM的执行引擎(JIT、解释器等)根据程序计数器中记录的数据,就拿到了接下来要执行的指令的地址。

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多线程下,CPU从线程A切换到线程B,得知道线程B之前解释执行到哪一句指令了,此时JVM的程序计数器就发挥作用了

【基础篇】九、程序计数器 && JVM栈_第7张图片

2、JVM栈

JVM的栈采用栈的数据结构,保存方法调用的基本数据,先进后出,其中,每一个调用的方法用一个叫栈帧的东西存。

如下图,流程为:

main入栈
study入栈
eat入栈
eat出栈.....
sleep入栈
sleep出栈.....
study出栈.....
main出栈.....
执行结束!

【基础篇】九、程序计数器 && JVM栈_第8张图片

断点打在C方法里,看下IDEA中debug的栈信息,点击栈里的每个方法,跳到当前该方法执行在的那一行:

【基础篇】九、程序计数器 && JVM栈_第9张图片

修改程序,让C程序抛出异常:

public class FrameDemo{
	
	public static void main(String[] args){
		A();
	}
	public static void A(){
		System.out.println("A执行了...");
		B();
	}
	public static void B(){
		System.out.println("B执行了...");
		C();
	}
	public static void C(){
		System.out.println("C执行了...");
		throw new RuntimeException("测试");   //异常
	}
}

可以发现,结果里也展示了异常发生时的栈信息,以及每个方法具体执行到哪一行了:

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JVM的栈随着线程的创建而创建,也随着线程的销毁而回收,每个线程都有一个自己的JVM栈

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3、JVM栈–栈帧–局部变量表

栈里的一个个栈帧,由三部分构成:

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局部变量表用来存方法执行过程中的所有局部变量,类被编译成字节码时,局部变量表的内容就确定了:

【基础篇】九、程序计数器 && JVM栈_第13张图片

想访问一个变量,自然是要在它声明定义之后,所以局部变量表里的起始PC就是保存了从哪一行字节码指令开始,可以访问这个变量,对于变量i,其值就为2。而长度字段为3,即代表在2.3.4这三行里可以访问i。总之就是通过局部变量表控制可以访问每个变量的范围。 是字节码文件中的局部变量表,它的作用是做安全性上的校验,比如变量的生效范围。

【基础篇】九、程序计数器 && JVM栈_第14张图片

而栈帧自己的局部变量表就是一个数组,数组的每个位置叫槽slot,long和double类型占用两个槽,其他类型占用一个槽。 如上图,i占0号位,一个槽,后面long类型的j则占两个。再看字节码文件里局部变量表中的序号,其实就是这个局部变量i,在栈帧的局部变量表的起始槽的编号。

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实例方法中的序号为0的位置存放的是this,指的是当前调用方法的对象,运行时会在内存中存放实例对象
的地址。

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局部变量表也会存方法的形参,且顺序与形参顺序一致。

一句话,局部变量表中存的是实例方法的this对象、方法的形参、方法体中声明的局部变量

注意,局部变量表的槽可以重复使用,一旦某个局部变量不再生效,当前槽就可以再次被使用

public void test4(int k,int m){
	
	{
		int a = 1;
		int b = 2;
	}
	{
		int c = 1;
	}
	int i = 0;
	long j = 1;
}

执行完b=2时,栈帧的局部变量表长这样:

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再往下走,字节码为:

iconst_1
istore_3

即把字面量1放入了3号槽,复用了a变量的槽。同理往下推,最终的局部变量表长这样:

【基础篇】九、程序计数器 && JVM栈_第18张图片

因此,上面的代码在其栈帧的局部变量表中会占用6个槽,而不是简单的1+1+1 +1+1 +1 +1+2 = 9

4、JVM栈–栈帧–操作数栈

  • 操作数栈是JVM在执行指令时,用来存放中间数据的区域
  • 栈的数据结构,压栈+弹栈
  • 编译器就可决定操作数栈的最大深度,用jclasslib验证:
    【基础篇】九、程序计数器 && JVM栈_第19张图片

分析下以上源码的字节码:

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操作数栈的变化过程如下:

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最终状态:
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可以看到,整个过程中,操作数栈里最多有两个数据,即操作数栈的最大深度为2,此时创建栈帧时,创建深度为2的操作数栈即可。

5、JVM栈–栈帧–桢数据

桢数据主要含:

  • 动态链接
  • 方法出口
  • 异常表引用
Part1:动态链接

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当前类的字节码中引用了别的类的方法或属性,要将符号引用(#10)转成内存地址。动态链接就保存了编号到运行时常量池的内存地址的映射关系。

Part2:方法出口

在栈帧的桢数据中,存放了上一个方法的地址(sleep方法的桢数据有study方法执行到哪一行的信息)
【基础篇】九、程序计数器 && JVM栈_第25张图片

当方法正常结束或发生异常结束时,当前栈帧被弹出,同时程序计数器指向上一个栈帧的下一条指令地址:

【基础篇】九、程序计数器 && JVM栈_第26张图片

Part3:异常表引用

存放异常捕获的范围,以及这个范围发生异常后跳哪一行。 eg:看异常表的第一行,从起始PC 0到结束PC 2,如果发生异常,就跳转到第7行,astore_0即把捕获的异常对象e放到局部变量表中,因为catch块中大概率会用到e对象

【基础篇】九、程序计数器 && JVM栈_第27张图片

6、栈溢出

一个线程的栈里,栈帧过多,占用的内存到达了分配的最大值,再入栈就会StackOverflowError,即栈溢出。

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如下为OpenJDK8里JVM的源码,不指定栈的大小时,JVM创建的是一个默认大小的栈,不同的操作系统里,这个默认值也不同。

【基础篇】九、程序计数器 && JVM栈_第29张图片

用无停止条件的递归来看栈溢出:

public static int count = 0;
//递归方法调用自己
 public static void recursion(){
 
	 System.out.println(++count);
	 
	 recursion();
	 
 }

【基础篇】九、程序计数器 && JVM栈_第30张图片
运行,默认情况下,main线程的栈里放了大约10473个栈帧:

【基础篇】九、程序计数器 && JVM栈_第31张图片

7、设置栈空间大小

添加JVM参数:

-Xss栈大小

单位默认是byte字节(默认,必须是 1024 的倍数),可选k或者K(KB)、m或者M(MB)、g或者G(GB)

eg:
-Xss1048576 
-Xss1024K 
-Xss1m
-Xss1g

【基础篇】九、程序计数器 && JVM栈_第32张图片
设置线程栈空间大小,还可以用另一个参数:

//注意等号
 -XX:ThreadStackSize=1024

HotSpot对栈空间的大小有范围限制,Windows(64位)下的JDK8测试最小值为180k,最大值为1024m,超过这个范围,即使设置了也不会生效。

//无效
-Xss1k
-Xss1025m

当然,局部变量过多(栈帧局部变量表大)、操作数栈深度大,在相同大小下,能存的栈帧数量也就少了。最后,工作中,该值建议用

-Xss256k

8、本地方法栈

JVM栈中存的是Java方法的栈桢,本地方法栈里存的则是native本地方法的栈帧。不过在HotSpot虚拟机中,JVM栈和本地方法栈实现上使用了同一个栈空间。

【基础篇】九、程序计数器 && JVM栈_第33张图片

如下:

【基础篇】九、程序计数器 && JVM栈_第34张图片

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