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JVM基础篇(三)-JVM结构-运行时数据区之虚拟机栈

代码敲到深夜 2023-12-20 阅读 39

虚拟机栈概述

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。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。

栈是运行时的单位,堆是存储的单位

Java虚拟机栈

Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stack),早期也叫Java栈,是线程私有的。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),一个栈帧对应一个Java方法,即一次次的Java方法调用。

JVM基础篇(三)-JVM结构-运行时数据区之虚拟机栈_JVM

栈生命周期

生命周期和线程一致。

栈的作用

主管Java程序的运行,它保存方法的局部变量、部分结果,并参与方法的调用和返回。

栈的特点

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,进栈
  • 方法执行结束,出栈

栈的溢出异常

栈不存在垃圾回收,会存在溢出问题。主要有以下两种溢出:

  • StackOverflowError(栈溢出)
  • OutOfMemoryError(内存溢出)


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 栈溢出异常。

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 内存溢出异常。


  • 设置Java栈内存大小

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

-Xss1m
-Xss1k

栈存储单位

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。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。

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)。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。

JVM基础篇(三)-JVM结构-运行时数据区之虚拟机栈_JVM_02

代码演示

public class StackFrameTest {
    public static void main(String[] args) {
        method01();
    }

    private static int method01() {
        System.out.println("方法1的开始");
        int i = method02();
        System.out.println("方法1的结束");
        return i;
    }

    private static int method02() {
        System.out.println("方法2的开始");
        int i = method03();;
        System.out.println("方法2的结束");
        return i;
    }
    private static int method03() {
        System.out.println("方法3的开始");
        int i = 30;
        System.out.println("方法3的结束");
        return i;
    }
}

输出结果为

方法1的开始
方法2的开始
方法3的开始
方法3的结束
方法2的结束
方法1的结束

栈运行原理

不同线程中所包含的栈帧是不允许存在相互引用,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。

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