java内存区域 - 栈

java内存区域 - 栈

在JDK11中，JVM栈 （Java Virtual Machine Stack）是每个线程私有的内存区域，用于存储线程执行方法时的方法调用状态。JVM栈也称为Java虚拟机栈，与线程的生命周期相同。

以下是对Java虚拟机栈的详细解析，包括它的组成部分和存储内容：

1. Java虚拟机栈的组成

Java虚拟机栈由一个个**栈帧（Stack Frame）**组成。每次调用一个方法时，都会创建一个新的栈帧并压入JVM栈，方法执行完成后，栈帧会出栈。

一个栈帧包含以下几个主要区域：

1. 局部变量表（Local Variable Table）
2. 操作数栈（Operand Stack）
3. 动态链接（Dynamic Linking，也叫方法引用）
4. 返回地址（Return Address）
5. 额外信息（Optional Data，如异常处理状态）

2. 栈帧中的详细内容

2.1 局部变量表

• 定义: 局部变量表是用来存储方法中的局部变量，包括：

  • 方法的参数
  • 方法内部定义的局部变量

• 存储内容:

  • 基本数据类型（如 int、float、long、double 等）
  • 引用类型（对象引用，如 String 的引用）
  • returnAddress 类型（指向字节码指令地址）

• 特性:

  • 局部变量表的大小在编译时确定，且在方法调用时分配。
  • 表的索引从 0 开始，方法的第一个参数通常存储在索引 0。

2.2 操作数栈

• 定义: 操作数栈是一个后进先出（LIFO）的栈，用于方法执行中的中间运算和结果存储。

• 存储内容:

  • 方法执行过程中需要操作的中间数据（如加法操作中的两个操作数）。
  • 方法调用的参数（当调用其他方法时）。

• 特性:

  • 字节码指令直接对操作数栈进行操作，比如 iadd 用于弹出两个整数值相加并将结果压入栈。

2.3 动态链接

• 定义: 动态链接存储的是方法调用过程中的符号引用，这些符号引用在运行时被解析为具体的方法或字段的直接引用。

• 作用:

  • 支持方法调用的动态绑定，尤其是多态。
  • 通过运行时常量池解析相关符号。

2.4 方法返回地址

• 定义: 返回地址用于存储方法调用完成后，需要返回的程序计数器（PC）位置。

• 特性:

  • 如果当前方法是通过字节码指令调用的，返回地址会指向调用指令的下一条指令。
  • 如果方法调用是通过其他方式（如异常），返回地址可能为空。

2.5 附加信息

• 定义: 栈帧可能还包含一些与方法执行相关的附加信息，如：
  • 异常处理表
  • 调试信息

3. JVM栈的生命周期

• 每个线程创建时，Java虚拟机栈被分配。
• Java虚拟机栈的每个栈帧对应一个方法调用，随着方法调用的嵌套，栈帧逐步压入栈中。
• 每一个方法冲开始调用到执行结束的过程，都对应这一个栈帧的入栈出栈的过程。
• 当方法返回或异常终止时，栈帧出栈。
• 如果栈深度超过允许的最大值（如无限递归），会抛出 StackOverflowError。
• 如果内存不足以为新栈帧分配空间，会抛出 OutOfMemoryError。

4. 示例解析 - 运行时的栈帧分布

以下是一个简单的代码示例，以及在JVM栈中的体现：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 5;
        int b = 10;
        int sum = add(a, b);
    }

    public static int add(int x, int y) {
        return x + y;
    }
}

1. main 方法调用:

   • 局部变量表:
     • args：存储数组引用
     • a：5
     • b：10
     • sum：等待存储 add 方法返回的结果
   • 操作数栈:
     • 调用 add 方法时，将 a 和 b 压入操作数栈。

2. add 方法调用:

   • 局部变量表:
     • x：存储值 5
     • y：存储值 10
   • 操作数栈:
     • 执行 x + y 时，先将 x 和 y 压入栈，再弹出进行加法操作。

3. 返回:

   • add 方法将结果压入操作数栈，并返回给 main 方法的 sum 变量。

5. 栈中的异常

• StackOverflowError:

  • 发生在栈的深度超过虚拟机允许的最大值时，例如递归调用过深。

• OutOfMemoryError:

  • 如果JVM栈内存允许动态扩展，当扩展栈容量无法申请到足够内存时， 无法为新的栈帧分配内存时触发。

• 注意： 《Java虚拟机规范》明确允许Java虚拟机实现自行选择是否支持站的动态扩展，而Hotspot(jdk1.2及之后的默认虚拟机)的选择是不支持扩展，所以jdk1.2之后，除非在创建线程申请内存时就因为无法获得足够的内存而触发OutOfMemoryError异常，否则在线程运行时是不会因为扩展而导致内存的溢出的，只会因为栈容量无法容纳新的栈帧而导致StackOverflowError异常（此段摘自《深入理解Java虚拟机》 第第三版中）

6.栈配置

• -Xss<size>
  • 用于设置每个线程栈的大小。
  • 参数格式为：
    • <size> 指定大小，可以用单位 k 或 m 表示（如 -Xss512k 或 -Xss1m）。
    • 默认值依赖于操作系统和JVM实现，通常为 1 MB 或 512 KB。
  • 影响每个线程的栈深度，但总栈大小受限于系统内存和线程数。

7.本地方法栈

• 本地方法栈（Natice Method Stacks） 与Java虚拟机栈所发挥的作用时非常相似的，其区别只是Java虚拟机栈为虚拟机执行java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为了虚拟机使用到的本地（native）方法服务。HotSpot虚拟机（Java默认的虚拟机）直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一了。

总结：
JVM栈的核心在于管理方法调用和执行，每个栈帧包括局部变量表、操作数栈、动态链接、返回地址等。栈的合理设计是 Java 程序高效运行的基础，同时需要注意栈的溢出问题。