虚拟机栈出现的背景

  1. 由于跨平台性的设计，Java的指令都是根据栈来设计的。不同平台CPU架构不同，所以不能设计为基于寄存器的【如果设计成基于寄存器的，耦合度高，性能会有所提升，因为可以对具体的CPU架构进行优化，但是跨平台性大大降低】。

  2. 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。

    内存中的栈与堆

  3. 首先栈是运行时的单位，而堆是存储的单位。

  4. 即：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，放哪里

虚拟机栈 - 图1

虚拟机栈基本内容

  • 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，栈是线程私有的。

QQ截图20220713101500.png

  1. public class StackTest {
  3.     public static void main(String[] args) {
  4.         StackTest test = new StackTest();
  5.         test.methodA();
  6.     }
  8.     public void methodA() {
  9.         int i = 10;
  10.         int j = 20;
  12.         methodB();
  13.     }
  15.     public void methodB(){
  16.         int k = 30;
  17.         int m = 40;
  18.     }
  19. }

上面代码，在主线程里面，先调用方法A，方法A内部调用了方法B，在虚拟机栈中，方法A先压栈，然后方法B压栈。等方法B执行完，出站，然后方法A执行完，出栈。
虚拟机栈 - 图3

  • 虚拟机栈的生命周期
    • 生命周期和线程一致，也就是线程结束了，该虚拟机栈也销毁了
  • 虚拟机栈的作用
    • 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），所需要数据，指令，返回地址等。
  • 栈是一种快速有效的分配存储方式，访问速度仅次于程序计数器。
  • JVM直接对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

  • 对于栈来说不存在垃圾回收问题

    • 栈不需要GC，但是可能存在OOM

      虚拟机栈的异常

  • 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。

    • 如果采用固定大小的Java虚拟机栈，那每一个线程的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。
    • 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，或者在创建新的线程时没有足够的内存去创建对应的虚拟机栈，那Java虚拟机将会抛出一个 OutofMemoryError 异常。

      设置栈内存大小

      参考官方：https://docs.oracle.com/en/java/javase/11/tools/java.html#GUID-3B1CE181-CD30-4178-9602-230B800D4FAE

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。

Sets the thread stack size (in bytes). Append the letter k or K to indicate KB, m or M to indicate MB, and gor G to indicate GB. The default value depends on the platform:

  • Linux/x64 (64-bit): 1024 KB
  • macOS (64-bit): 1024 KB
  • Oracle Solaris/x64 (64-bit): 1024 KB
  • Windows: The default value depends on virtual memory
  1. -Xss1m
  2. -Xss1024k
  3. -Xss1048576

例子

没设置之前

  1. public class StackErrorTest {
  2.     private static int count = 1;
  3.     public static void main(String[] args) {
  4.         System.out.println(count);
  5.         count++;
  6.         main(args);
  7.     }
  8. }

输出结果最大为11411，说明这个栈最深是这么多
image.png
设置栈参数
image.png
在VM options里面设置
image.png
重新运行，发现最大溢出深度达到了10w+，说明参数起作用了
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栈的存储单位

  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个方法都各自对应一个栈帧（Stack Frame）。

  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中的各种数据信息。

    栈运行原理

  4. 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

  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。
  8. 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。
  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，虚拟机会出栈当前栈帧，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。
    • 另一种是方法执行中出现未捕获处理的异常，以抛出异常的方式结束。
    • 但不管使用哪种方式，都会导致栈帧被出栈。

      栈帧的内部结构

      每个栈帧中存储着：
  • 局部变量表（Local Variables）
  • 操作数栈（Operand Stack）（或表达式栈）
  • 动态链接（Dynamic Linking）（或指向运行时常量池的方法引用）
  • 方法返回地址（Return Address）（或方法正常退出或者异常退出的定义）
  • 一些附加信息

    栈帧的大小主要由局部变量表 和 操作数栈决定的

虚拟机栈 - 图8