JVM学习第三章03——虚拟机栈概述

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一、虚拟机栈出现的背景

1. 由于跨平台的设计，Java的指令都是根据栈来设计的，不同平台的CPU架构不同，所以不能设计为基于寄存器的；
2. 栈的设计优点是跨平台，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。

内存中的堆与栈

栈是运行时的单位，而堆是存储时的单位；

1. 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，放在哪儿；
2. 一般来讲，对象主要都是放在堆空间的，是运行时数据区比较大的一块；
3. 栈空间存放基本数据类型的局部变量，以及引用数据类型的对象的而引用；

二、Java虚拟机栈的基本内容

1. 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，它是线程私有的；
2. 生命周期和线程是一致的；
3. 栈是一种快速有效的分配存储方式，访问速度仅次于PC寄存器；
4. 作用：主管Java程序的运行，它保存方法的局部变量，8种基本数据类型，对象的引用地址(new 的对象本身在堆当中)，部分结果，并参与方法的调用和返回；

局部变量：相较于成员变量（成员变量或称属性）
基本数据类型：8种基本数据类型
引用类型变量：类，数组，接口

5. 下面针对于“一个个的栈帧（Stack Frame），对应着一次次的Java方法调用”举一个例子

public class StackTest {
    
    
	public static void main(String[] args) {
    
    
		StackTest test = new StackTest();
		test.methodA();
	}

	public void methodA() {
    
    
		int i = 10;
		int j = 20;
		methodB;
	}

	public void methodA() {
    
    
		int k = 30;
		int m = 40;
	}
}

6. JVM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
所以对于栈来说不存在垃圾回收问题，但存在OOM异常

三、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；

1. 如果采用固定大小的Java虚拟机栈，那么每一个线程的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；
2. 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，或者是在创建新的线程的时候没有足够的内存去创建对应的虚拟机栈，那么Java虚拟机将会抛出一个OutOfMemoryError异常；
3. 演示StackOverFlowError异常

public class StackError {
    
    
	public static void main(String[] args) {
    
    
		main(args);
	}
}

args是局部变量，函数自己调用自己，每一次调用都会产生一个局部变更量表，最终会导致栈溢出

4. 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可以调用的深度（IDEA设置方法：Run --> Edit Configurations --> Application --> 相应的类 --> VM options --> -Xss256k）

/**
 * 演示栈中的异常：StackOverflowError
 *
 * 默认情况下：count : 11420
 * 设置栈的大小：-Xss256k : count : 2465 
 */
public class StackErrorTest {
    
    
    private static int count = 1;
    public static void main(String[] args) {
    
    
        System.out.println(count);
        count++;
        main(args);
    }
}

三、Java虚拟机栈的存储结构和运行原理

1. 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；
2. 在这个线程上正在执行的每一个方法都各自对应一个栈帧；
3. 栈帧是一个内存区块，是一个数据集，维系着方法执行过程的各种数据信息；
4. JVM对Java栈的操作只有两个，就是对栈帧的压栈和出栈，遵循“先进先出”/“后进先出”的原则；
5. 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）；
6. 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；
7. 如果在该方法中遇到了其他方法，对应的新的栈帧就会被创建出来，放在栈的顶端，成为新的当前栈针；
   
   代码示例

public class StackFrameTest {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        StackFrameTest test = new StackFrameTest();
        test.method1();
    }

    public void method1(){
    
    
        System.out.println("method1()开始执行。。。");
        method2();
        System.out.println("method1()执行结束。。。");
    }

    public int method2(){
    
    
        System.out.println("method2()开始执行。。。");
        int i = 10;
        int m = (int) method3();
        System.out.println("method2()执行结束。。。");
        return i+m;
    }

    public double method3(){
    
    
        System.out.println("method3()开始执行。。。");
        double j = 20.0;
        System.out.println("method3()执行结束。。。");
        return j;
    }
}

/**
	执行结果：
	method1()开始执行。。。
	method2()开始执行。。。
	method3()开始执行。。。
	method3()执行结束。。。
	method2()执行结束。。。
	method1()执行结束。。。
*/

8. 不同线程所包含的栈帧是不允许存在相互引用的，即不可能在一个栈桢之中引用另一个线程的栈帧；
9. 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；
   10.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；另一种是抛出异常。不管使用哪一种方式，都会导致栈帧被弹出；

四、栈帧的内部结构

1. 局部变量表(Local Variables)
2. 操作数栈(Operand Stack) (或表达式栈)
3. 动态链接(Dynamic Linking) (或指向运行时常量池的方法引用)
4. 方法返回地址(Return Address) (或方法正常退出或者异常退出的定义)
5. 一些附加信息
   

栈帧的大小主要取决于局部变量表；