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架构师成长（四）之深入理解 JVM 虚拟机栈

article 2025/2/7 20:32:45

一、虚拟机栈概述

Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）是 Java 虚拟机运行时数据区的重要组成部分之一，它与线程紧密相关。每个 Java 线程在创建时都会分配一个独立的虚拟机栈，其生命周期与线程相同。

虚拟机栈的主要作用是为 Java 方法的执行提供内存支持。它存储了方法执行过程中的局部变量、操作数、方法出口等信息。在 Java 程序运行时，方法的调用和返回对应着栈帧在虚拟机栈中的入栈和出栈操作。

二、栈的存储单位 - 栈帧

栈帧（Stack Frame）是虚拟机栈中的基本存储单位，每个栈帧对应一个正在执行的方法。当一个方法被调用时，就会在虚拟机栈中创建一个新的栈帧，并将其压入栈顶；当方法执行完毕返回时，对应的栈帧从栈顶弹出。

一个栈帧主要包含以下几个部分：局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址等。

三、局部变量表

局部变量表（Local Variable Table）是一组变量值存储空间，用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量。它的容量以变量槽（Variable Slot）为最小单位，一个变量槽可以存放一个 32 位以内的数据类型，如 boolean、byte、char、short、int、float、reference（对象引用）和 returnAddress（指向字节码指令的地址）。对于 64 位的数据类型（long 和 double），则需要两个连续的变量槽来存储。

在方法执行时，局部变量表的大小在编译期就已经确定，并保存在方法的 Code 属性的 max_locals 数据项中。例如：

public void test(int a, long b) {
    int c = a + 1;
    long d = b + 2;
}

在上述方法中，参数a占用一个变量槽，参数b占用两个变量槽，局部变量c占用一个变量槽，局部变量d占用两个变量槽。

四、操作数栈

操作数栈（Operand Stack）也称为操作栈，是一个后入先出（LIFO）栈。在方法执行过程中，根据字节码指令，将数据压入操作数栈或从操作数栈中弹出数据进行运算。操作数栈的最大深度也在编译期确定，保存在方法的 Code 属性的 max_stack 数据项中。

例如，对于加法操作i = a + b，假设a和b已经在局部变量表中，字节码指令会先将a和b从局部变量表压入操作数栈，然后执行加法指令，从操作数栈弹出a和b进行相加，最后将结果压回操作数栈，再将结果存入局部变量表中i对应的位置。

五、代码追踪

以一个简单的 Java 方法为例，通过字节码来追踪栈帧中局部变量表和操作数栈的变化。

public class StackTraceExample {
    public int add(int a, int b) {
        int c = a + b;
        return c;
    }
}

编译后查看字节码（简化示意）：

Method int add(int, int)
0: iload_1 // 将局部变量表中索引为1的int值（即参数a）压入操作数栈
1: iload_2 // 将局部变量表中索引为2的int值（即参数b）压入操作数栈
2: iadd // 从操作数栈弹出两个int值相加，结果压回操作数栈
3: istore_3 // 将操作数栈顶的int值存入局部变量表中索引为3的位置（即局部变量c）
4: iload_3 // 将局部变量表中索引为3的int值（即局部变量c）压入操作数栈
5: ireturn // 从操作数栈弹出int值作为方法返回值

从字节码可以清晰看到方法执行过程中，数据在局部变量表和操作数栈之间的流动和运算。

六、栈顶缓存技术

栈顶缓存技术（Top-of-Stack Caching，TOSC）是为了提高虚拟机栈操作效率而采用的一种优化技术。由于操作数栈的访问是频繁的，并且操作数栈的深度通常较小，JVM 会将栈顶元素缓存到 CPU 寄存器中。这样，在进行频繁的栈顶操作（如入栈、出栈、运算）时，直接从寄存器中获取和存储数据，减少了对内存的访问次数，从而提高了执行效率。

七、动态链接

每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用，这个引用用于支持方法调用过程中的动态链接（Dynamic Linking）。在 Java 源文件被编译成字节码文件时，所有的方法调用指令（如invokevirtual、invokeinterface等）只包含了被调用方法的符号引用（在常量池中）。

在类加载的解析阶段，会将部分符号引用转化为直接引用，但对于一些在运行期才能确定的方法调用（如虚方法调用），需要在运行时进行动态链接。动态链接的过程就是将符号引用转换为实际方法的直接引用，以便在方法调用时能够准确找到要执行的方法。

八、方法的调用：解析与分派

8.1 解析

解析（Resolution）是在类加载过程中，将常量池中的符号引用转换为直接引用的过程。解析主要针对一些在编译期就可以确定的方法调用，如静态方法、私有方法、构造方法等。这些方法在类加载时就可以确定其具体的实现，因此可以在解析阶段完成符号引用到直接引用的转换。

8.2 分派

分派（Dispatch）分为静态分派和动态分派。

静态分派：主要发生在方法重载（Overloading）场景下。在编译期，编译器根据调用方法的对象的静态类型（即声明类型）来确定调用哪个方法版本。例如：

class Animal {}
class Dog extends Animal {}
class Cat extends Animal {}

class AnimalHandler {
    public void handle(Animal animal) {
        System.out.println("Handling animal");
    }
    public void handle(Dog dog) {
        System.out.println("Handling dog");
    }
    public void handle(Cat cat) {
        System.out.println("Handling cat");
    }
}

public class StaticDispatchExample {
    public static void main(String[] args) {
        Animal dog = new Dog();
        Animal cat = new Cat();
        AnimalHandler handler = new AnimalHandler();
        handler.handle(dog); // 调用handle(Animal animal)
        handler.handle(cat); // 调用handle(Animal animal)
    }
}

这里dog和cat的静态类型都是Animal，所以编译期会选择handle(Animal animal)方法。

动态分派：主要发生在方法重写（Overriding）场景下。在运行期，根据调用方法的对象的实际类型（即运行时类型）来确定调用哪个方法版本。例如：

收起

java

class Animal {
    public void makeSound() {
        System.out.println("Animal sound");
    }
}
class Dog extends Animal {
    @Override
    public void makeSound() {
        System.out.println("Woof");
    }
}
class Cat extends Animal {
    @Override
    public void makeSound() {
        System.out.println("Meow");
    }
}

public class DynamicDispatchExample {
    public static void main(String[] args) {
        Animal dog = new Dog();
        Animal cat = new Cat();
        dog.makeSound(); // 运行时调用Dog的makeSound方法
        cat.makeSound(); // 运行时调用Cat的makeSound方法
    }
}

这里dog和cat的静态类型都是Animal，但运行时根据实际类型调用对应的重写方法。

九、方法返回地址

当一个方法执行完毕后，需要返回到调用它的方法的位置继续执行。方法返回地址（Return Address）就是用于记录这个位置的。方法返回地址的确定有两种情况：

如果方法是正常完成出口，那么方法返回地址是调用该方法的指令的下一条指令的地址。
如果方法是异常完成出口（如抛出未处理的异常），那么方法返回地址要通过异常表来确定，找到匹配的异常处理代码块的起始地址。

方法执行完毕后，其对应的栈帧从虚拟机栈中弹出，恢复调用者的栈帧，程序继续在调用者的栈帧中执行。

十、虚拟机栈优化技巧

1. 合理设置栈内存大小

根据应用场景调整 -Xss 参数：-Xss 参数用于设置每个线程的栈内存大小。对于一般的 Java 应用，默认的栈大小（通常在几百 KB 到 1MB 左右）可能已经足够。但如果应用中有大量的递归调用或深度嵌套的方法调用，可能需要适当增大栈大小，以避免 StackOverflowError。例如，在一个复杂的树形结构遍历算法中，可能会有较深的递归调用，此时可适当增大栈空间：

java -Xss2m YourMainClass

另一方面，如果应用线程数较多，为了避免内存溢出，可能需要适当减小每个线程的栈大小，以控制总体的栈内存消耗。

2. 避免无节制的递归调用

递归改迭代：递归虽然简洁，但由于每一次递归调用都会在栈中创建新的栈帧，容易导致栈溢出。对于很多可以用递归解决的问题，也可以使用迭代的方式来实现。例如，计算阶乘：

// 递归实现
public static int factorialRecursive(int n) {
    if (n == 0 || n == 1) {
        return 1;
    }
    return n * factorialRecursive(n - 1);
}

// 迭代实现
public static int factorialIterative(int n) {
    int result = 1;
    for (int i = 1; i <= n; i++) {
        result *= i;
    }
    return result;
}

迭代方式通过循环控制，避免了大量的栈帧创建，既节省栈空间，又提高了执行效率。

3. 优化方法调用深度

减少方法嵌套层次：尽量避免过深的方法调用嵌套。如果一个方法内部调用了多个其他方法，而这些方法又层层调用，会导致栈帧迅速堆积。可以通过重构代码，将复杂的逻辑拆分成更简单、独立的模块，减少不必要的方法调用层次。例如，将多个小功能合并成一个较大的方法，减少中间调用层次。

4. 关注局部变量使用

及时释放不再使用的局部变量：局部变量存储在栈帧的局部变量表中。一旦局部变量不再使用，应及时将其赋值为 null，以便垃圾回收器能够及时回收相关对象占用的内存。例如：

public void processLargeObject() {
    LargeObject largeObject = new LargeObject();
    // 处理 largeObject
    largeObject = null;
    // 后续代码不会再使用 largeObject，及时释放引用
}

这样可以避免局部变量长时间占用栈空间和相关对象占用的堆空间。

5. 利用栈顶缓存技术优势

编写紧凑的代码逻辑：栈顶缓存技术（TOSC）依赖于频繁的栈顶操作。编写紧凑、高效的代码逻辑，使得操作数栈的操作更加集中和频繁，能更好地利用 TOSC 的优势。例如，在进行一系列算术运算时，尽量将相关操作紧凑地编写在一起，减少不必要的中间变量和代码跳转。

6. 分析和监控栈使用情况

使用工具进行分析：利用工具如 jstack 来分析 JVM 的栈使用情况。jstack 可以生成当前 JVM 中所有线程的栈跟踪信息，帮助定位可能导致栈溢出的线程和方法。例如，在程序出现 StackOverflowError 后，可以使用 jstack <pid> 命令（<pid> 为 Java 进程 ID）获取栈跟踪信息，分析是哪个方法递归过深或调用层次过深导致问题。
设置合理的日志输出：在关键方法的入口和出口处添加日志输出，记录方法的调用层次和参数信息。通过分析日志，可以了解方法调用的流程和栈的使用情况，有助于发现潜在的栈相关问题。