《JVM第5课》虚拟机栈

Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack，简称JVM栈，又称Java方法栈）是 JVM 运行时数据区的一部分，主要用于支持Java方法的执行。每当一个新线程被创建时，JVM就会为这个线程分配一个私有的方法栈，线程执行过程中每个方法调用都会创建一个新的栈帧（Stack Frame），而这些栈帧会被组织成后进先出的栈结构。

1 栈知识点

1. 线程私有

   • 每个线程都有自己的虚拟机栈，与其他线程的栈完全隔离。
   • 线程私有的特性确保了多线程环境下的数据安全和并发执行的效率。

2. 生命周期与线程相同

   • 虚拟机栈的生命周期与线程的生命周期相同。当线程创建时，虚拟机栈也随之创建；当线程结束时，虚拟机栈也随之销毁。所以虚拟机栈不需要进行垃圾回收。

3. 栈深度

   • 如果方法调用层次过深或者循环调用导致栈帧数量过多，可能会发生栈溢出错误StackOverflowError。但如果线程太多，线程创建时没有足够的内存去创建虚拟机栈，则会抛出OutOfMemoryError错误。
   • 虚拟机栈的深度没有明确的个数限制（一般1、2千没什么问题），而是受栈大小的影响，通常通过JVM启动参数 -Xss 来设置每个线程的栈大小（默认是1M）。合理配置栈大小可以避免栈溢出和内存不足的问题。

4. 栈帧（Stack Frame）

   • 每个方法调用都会创建一个新的栈帧，并将其压入当前线程的虚拟机栈顶。
   • 当方法执行完毕后，对应的栈帧会被弹出并丢弃。
   • 栈帧是方法执行的基本单位，包含局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息等。

2 栈帧

每个栈帧包含了以下部分：

1. 局部变量表：用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量。局部变量表以变量槽（Variable Slot）的形式存在，每个槽可以存放一个基本数据类型、返回地址或者对象引用。对于64位的数据类型（如long和double），需要占用两个连续的槽位。
2. 操作数栈：顾名思义，就是用来暂存要操作的数据和操作结果的地方。当执行字节码指令时，会从局部变量表或常量池中加载数据到操作数栈，然后根据指令完成相应的计算或操作，最后将结果存回操作数栈或局部变量表。
3. 动态链接：包括对常量池的引用和对上层方法栈帧的引用，用于支持方法调用过程中的动态链接。
4. 方法出口信息：包含正常完成出口和异常完成出口的信息，用于处理方法执行完毕后的返回值传递和异常抛出。

当一个方法被调用时，JVM会执行如下步骤：

1. 创建栈帧：为被调用的方法创建一个新的栈帧，并将其压入当前线程的方法栈顶。
2. 初始化栈帧：将方法参数传递到新的栈帧的局部变量表中，同时清空操作数栈。
3. 执行字节码指令：根据方法体中的字节码指令，进行相应的计算和逻辑处理。
4. 清理栈帧：当方法执行完毕后（无论是正常结束还是异常终止），将结果（如果有）返回给上一层方法，然后从方法栈中弹出当前栈帧。