Java 虛擬機棧詳解分析

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Java虛擬機棧

1. 定義

  • 棧：線程運行時需要的內存空間，一個棧存在多個棧幀。棧具有先入後出，後入先出的特點。
  • 棧幀：每個方法運行時需要的內存（局部變量表、操作數棧、動態鏈接和方法返回值等信息。），每次調用一個方法，便會將棧幀壓入棧中，方法執行完畢將棧幀從棧頂壓出
  • 活動棧幀：指在棧頂的棧幀，既正在調用的方法，每個線程隻能有一個活動棧幀，對應著該線程正在調用的那個方法

現在我們用代碼來演示一下Java虛擬機如何將棧幀壓入及壓出棧中

 public class Main {
     public static void main(String[] args) {
         method1();
     }
     
     private static void method1() {
         method2(1, 2);
     }
     
     private static int method2(int a, int b) {
         int c = a + b;
         return c;
     }
 }

當我們運行Main函數時，jvm首先將棧幀Main壓入棧中，此視棧結構如圖所示

Main函數體中調用瞭method1方法，此時便會將棧幀1壓入棧中

method1方法體中調用瞭method2方法，這時jvm會將棧幀2壓入棧結構中，需要註意的是，前面我們提到瞭棧幀由 “局部變量表、操作數棧、動態鏈接和方法返回值”等信息組成，method2方法中擁有a，b兩個參數以及局部變量c和方法返回值

當method2方法執行完後，會將棧幀2從棧頂彈出

method1方法執行完畢後，將棧幀1彈出

依次順序直至線程被銷毀。

註意點

  • 由於每個棧幀都會在方法調用完畢後被彈出，因此棧內存不需要進行垃圾回收
  • 每個棧都是線程私有的，每個線程在創建的時候都會創建一個虛擬機棧，而由於物理內存是固定的，棧內存劃分得越大，可分配的線程數就越少

2. 棧的線程安全問題

局部變量是線程安全的

現在我們定義如下方法：

 public static void method() {
     int a = 0;
     a++;
 }

我們在方法method中定義瞭一個局部變量a，並對其執行a++操作，現在假設我們有兩個線程同時調用瞭這個方法（棧幀），Java虛擬機會將該棧幀壓入各自線程的棧內存中，但由於局部變量表是線程私有的，所以兩個線程在同時調用這個棧幀後，a的值仍然都為1，故局部變量是線程安全的

方法參數和方法返回值不是線程安全

由於方法的參數和返回值均可被外部方法所引用，故在某個線程下某個方法可以更改另外一個方法的參數和返回值，故方法參數和方法返回值不是線程安全的

3. 棧內存溢出

由於程序執行時，虛擬機給每個棧分配的棧內存空間是固定的，所以在一些情況下有可能出現棧內存空間不足，導致溢出的情況，一般有兩種情況可能導致棧內存溢出

  • 棧幀過大（較少出現）
  • 棧幀過多（一般出現在遞歸時。沒有正確設置遞歸出口）

現在我們來解釋一下什麼時候會出現棧幀過多導致棧內存溢出，我們來假設某一個棧的內存空間大小是1024kb，現在有四個棧幀，每個棧幀的大小均為300kb，而 300 * 4 = 1200kb， 而 1200 > 1024 ,很顯然，現在這四個棧幀合起來的大小已經超過瞭這個棧的內存空間大小，這個時候就會出現棧內存溢出，也就是會報java.lang.StackOverflowError這個錯誤。

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