Java虚拟机(五)：Java虚拟机栈

2022-02-17 02:47:56

一、虚拟机栈的背景

基于Java的语言的跨平台性设计，由因为CPU的架构不同，所以JVM不能设计为基于寄存器结构

根据栈设计

优点：1. 跨平台 2.指令集小，编译器容易实现

缺点：1.性能下降，效率低 2.实现同样功能需要更多的指令

JVM的堆与栈

栈是运行时的单位，堆是储存单位：栈管运行，堆管储存

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
一般来讲，对象主要都是放在堆空间的，是运行时数据区占用内存较大的一部分
栈存放基本数据类型的局部变量和引用数据类型对象的引用

二、Java虚拟机栈的特点与作用

1. Java虚拟机栈的特点

1.Java虚拟栈(Java Virtual Machine Stack)，起初也叫Java栈，每个线程在创建是都会创建一个虚拟机栈，其内部保存一个个的栈帧(Stack Frame)，对应一个线程中每个方法的调用，它是线程私有

2.声明周期与创建它的线程一致

3.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

4.JVM对Java虚拟机栈的操作只有两个

每个方法执行前，伴随的入栈
方法执行完毕后的出栈

5.Java虚拟机栈没有GC问题，但存在OutOfMemoryError与*Error

2. Java虚拟机栈的作用

负责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、部分结果，并参与方法的调用和返回

局部变量是相对于成员变量(属性)：如不清楚，可以参考：https://www.cnblogs.com/battlecry/p/9373993.html

三、Java虚拟机栈异常

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

Java栈的大小是固定不变导致：*Error

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 *Error异常

/**
 * 演示栈中的异常：*Error
 */
public class StackErrorTest {
    public static void main(String[] args) {
        main(args);
    }
}

解决办法：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(IDEA设置方法：Run-EditConfigurations-VM options 填入指定栈的大小-Xss256k)

/**
 * 演示栈中的异常
 *
 * 默认情况下：count 10818
 * 设置栈的大小： -Xss256k count 1872
 */
public class StackErrorTest {
    private static int count = 1;
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(count);
        count++;
        main(args);
    }
}

Java栈的大小是动态导致：OOM(OutOfMemoryError)

如果Java虚拟机栈可以动态拓展，并且在尝试拓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

四、Java虚拟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个方法都对应各自的一个栈帧

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中的各种数据信息

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(FILO)的和原则

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),与当前栈帧对应的方法就是当前方法(Current Frame)

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，成为新的当前栈帧。

8.不同线程中所包含的栈帧是不允许相互引用的，即不可能在另一个栈帧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

/**
 * 栈帧执行顺序演示
 */
public class StackFrameTest {
    public static void main(String[] args) {
        StackFrameTest test = new StackFrameTest();
        test.method1();
        // 输出 method1()和method2()都作为当前栈帧出现了两次，method3()一次
       // 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。。。
    }

    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;
    }

}

五、Java虚拟栈相关面试题

1.举例栈溢出的情况?(*Error)

递归调用等，通过-Xss设置栈的大小；

2.调整栈的大小，就能保证不出现溢出么？

不能如递归无限次数肯定会溢出，调整栈大小只能保证溢出的时间晚一些，极限情况会导致OOM内存溢出(Out Of Memery Error)

3.分配的栈内存越大越好么？

不是会挤占其他线程的空间

4.垃圾回收是否会涉及到虚拟机栈？

不会

5.方法中定义的局部变量是否线程安全?

要分析具体情况

/**
 * 面试题：
 * 方法中定义的局部变量是否线程安全？具体情况具体分析
 *
 * 何为线程安全？
 *     如果只有一个线程可以操作此数据，则必定是线程安全的。
 *     如果有多个线程操作此数据，则此数据是共享数据。如果不考虑同步机制的话，会存在线程安全问题
 *
 * 我们知道StringBuffer是线程安全的源码中实现synchronized，StringBuilder源码未实现synchronized,在多线程情况下是不安全的
 **/
public class StringBuilderTest {

    //s1的声明方式是线程安全的，s1在方法method1内部消亡了
    public static void method1(){
        StringBuilder s1 = new StringBuilder();
        s1.append("a");
        s1.append("b");
    }

    //stringBuilder的操作过程：是不安全的，因为method2可以被多个线程调用
    public static void method2(StringBuilder stringBuilder){
        stringBuilder.append("a");
        stringBuilder.append("b");
    }

    //s1的操作：是线程不安全的，将自己返回，可能被其他线程共享
    public static StringBuilder method3(){
        StringBuilder s1 = new StringBuilder();
        s1.append("a");
        s1.append("b");
        return s1;
    }

    //s1的操作：是线程安全的 ，StringBuilder的toString方法是创建了一个新的String，s1在内部消亡了
    public static String method4(){
        StringBuilder s1 = new StringBuilder();
        s1.append("a");
        s1.append("b");
        return s1.toString();
    }

    public static void main(String[] args) {
        StringBuilder s = new StringBuilder();
        new Thread(()->{
            s.append("a");
            s.append("b");
        }).start();

        method2(s);

    }
}

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