JVM栈内存全面解析：程序的内存管理艺术

简介

  栈是用于执行线程的内存区域，它包括局部变量和操作数栈。

Java 虚拟机栈会为每一个即将运行的 Java 方法创建一块叫做“栈帧”的区域，用于存放该方法运行过程中的一些信息，如：

• 局部变量表
• 操作数栈
• 动态链接
• 方法出口信息
• ......

图示如下：

定义

  栈（stack）又名堆栈，它是一种运算受限的线性表。限定仅在表尾进行插入和删除操作的线性表。这一端被称为栈顶，相对地，把另一端称为栈底。
  栈是主管程序运行、生命周期和线程同步，线程结束，栈内存就释放了。不存在垃圾回收问题。

压栈出栈

  向一个栈插入新元素又称作进栈、入栈或压栈，它是把新元素放到栈顶元素的上面，使之成为新的栈顶元素。从一个栈删除元素又称作出栈或退栈，它是把栈顶元素删除掉，使其相邻的元素成为新的栈顶元素。

  当方法运行过程中需要创建局部变量时，就将局部变量的值存入栈帧中的局部变量表中。

  Java 虚拟机栈的栈顶的栈帧是当前正在执行的活动栈，也就是当前正在执行的方法，PC 寄存器也会指向这个地址。只有这个活动的栈帧的本地变量可以被操作数栈使用，当在这个栈帧中调用另一个方法，与之对应的栈帧又会被创建，新创建的栈帧压入栈顶，变为当前的活动栈帧。

  方法结束后，当前栈帧被移出，栈帧的返回值变成新的活动栈帧中操作数栈的一个操作数。如果没有返回值，那么新的活动栈帧中操作数栈的操作数没有变化。

由于 Java 虚拟机栈是与线程对应的，数据不是线程共享的（也就是线程私有的)，因此不用关心数据一致性问题，也不会存在同步锁的问题。

局部变量表

  定义为一个数字数组，主要用于存储方法参数、定义在方法体内部的局部变量，数据类型包括各类基本数据类型，对象引用，以及 return address 类型。

  局部变量表容量大小是在编译期确定下来的。最基本的存储单元是 slot，32 位占用一个 slot，64 位类型（long 和 double）占用两个 slot。

  对于 slot 的理解：

• JVM 虚拟机会为局部变量表中的每个 slot 都分配一个访问索引，通过这个索引即可成功访问到局部变量表中指定的局部变量值。
• 如果当前帧是由构造方法或者实例方法创建的，那么该对象引用 this，会存放在 index 为 0 的 slot 处，其余的参数表顺序继续排列。
• 栈帧中的局部变量表中的槽位是可以重复的，如果一个局部变量过了其作用域，那么其作用域之后申明的新的局部变量就有可能会复用过期局部变量的槽位，从而达到节省资源的目的。

  在栈帧中，与性能调优关系最密切的部分，就是局部变量表，方法执行时，虚拟机使用局部变量表完成方法的传递局部变量表中的变量也是重要的垃圾回收根节点，只要被局部变量表中直接或间接引用的对象都不会被回收。

操作数栈

• 栈顶缓存技术：由于操作数是存储在内存中，频繁的进行内存读写操作影响执行速度，将栈顶元素全部缓存到物理 CPU 的寄存器中，以此降低对内存的读写次数，提升执行引擎的执行效率。
• 每一个操作数栈会拥有一个明确的栈深度，用于存储数值，最大深度在编译期就定义好。32bit 类型占用一个栈单位深度，64bit 类型占用两个栈单位深度操作数栈。
• 并非采用访问索引方式进行数据访问，而是只能通过标准的入栈、出栈操作完成一次数据访问。

方法调用

• 静态链接：当一个字节码文件被装载进 JVM 内部时，如果被调用的目标方法在编译期可知，且运行时期间保持不变，这种情况下降调用方的符号引用转为直接引用的过程称为静态链接。
• 动态链接：如果被调用的方法无法在编译期被确定下来，只能在运行期将调用的方法的符号引用转为直接引用，这种引用转换过程具备动态性，因此被称为动态链接。
• 方法绑定
  • 早期绑定：被调用的目标方法如果在编译期可知，且运行期保持不变。
  • 晚期绑定：被调用的方法在编译期无法被确定，只能够在程序运行期根据实际的类型绑定相关的方法。
• 非虚方法：如果方法在编译期就确定了具体的调用版本，则这个版本在运行时是不可变的，这样的方法称为非虚方法静态方法。私有方法，final 方法，实例构造器，父类方法都是非虚方法，除了这些以外都是虚方法。
• 虚方法表：面向对象的编程中，会很频繁的使用动态分配，如果每次动态分配的过程都要重新在类的方法元数据中搜索合适的目标的话，就可能影响到执行效率，因此为了提高性能，JVM 采用在类的方法区建立一个虚方法表，使用索引表来代替查找。
  • 每个类都有一个虚方法表，表中存放着各个方法的实际入口。
  • 虚方法表会在类加载的链接阶段被创建，并开始初始化，类的变量初始值准备完成之后，JVM 会把该类的方法也初始化完毕。
• 方法重写的本质
  • 找到操作数栈顶的第一个元素所执行的对象的实际类型，记做 C。如果在类型 C 中找到与常量池中描述符和简单名称都相符的方法，则进行访问权限校验。
  • 如果通过则返回这个方法的直接引用，查找过程结束；如果不通过，则返回 java.lang.IllegalAccessError 异常。
  • 否则，按照继承关系从下往上依次对 C 的各个父类进行上一步的搜索和验证过程。
  • 如果始终没有找到合适的方法，则抛出 java.lang.AbstractMethodError 异常。

  Java 中任何一个普通方法都具备虚函数的特征（运行期确认，具备晚期绑定的特点），C++ 中则使用关键字 virtual 来显式定义。如果在 Java 程序中，不希望某个方法拥有虚函数的特征，则可以使用关键字 final 来标记这个方法。

特点

• 后进先出
• 运行速度特别快，仅仅次于 PC 寄存器。
• 局部变量表随着栈帧的创建而创建，它的大小在编译时确定，创建时只需分配事先规定的大小即可。在方法运行过程中，局部变量表的大小不会发生改变。
• Java 虚拟机栈会出现两种异常：StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError。
  • StackOverFlowError 若 Java 虚拟机栈的大小不允许动态扩展，那么当线程请求栈的深度超过当前 Java 虚拟机栈的最大深度时，抛出 StackOverFlowError 异常。
  • OutOfMemoryError 若允许动态扩展，那么当线程请求栈时内存用完了，无法再动态扩展时，抛出 OutOfMemoryError 异常。
• Java 虚拟机栈也是线程私有，随着线程创建而创建，随着线程的结束而销毁。
• 出现 StackOverFlowError 时，内存空间可能还有很多。

常见的运行时异常有：

• NullPointerException - 空指针引用异常
• ClassCastException - 类型强制转换异
• IllegalArgumentException - 传递非法参数异常
• ArithmeticException - 算术运算异常
• ArrayStoreException - 向数组中存放与声明类型不兼容对象异常
• IndexOutOfBoundsException - 下标越界异常
• NegativeArraySizeException - 创建一个大小为负数的数组错误异常
• NumberFormatException - 数字格式异常
• SecurityException - 安全异常
• UnsupportedOperationException - 不支持的操作异常

作用

• 程序的运行和线程的同步：栈用来支持程序的运行，存储方法调用和局部变量。
• 数据结构中的深度优先搜索：栈在数据结构中有很重要的作用，用于保存探索节点的线索，比如在图的深度优先搜索中，栈用于存储待访问的节点信息。

本地方法栈（C栈）

  本地方法栈（Native Method Stack）是用于支持Java虚拟机（JVM）运行时的底层操作系统调用，与Java虚拟机的栈很类似。

定义

  本地方法栈是为 JVM 运行 Native 方法准备的空间，由于很多 Native 方法都是用 C 语言实现的，所以它通常又叫 C 栈。它与 Java 虚拟机栈实现的功能类似，只不过本地方法栈是描述本地方法运行过程的内存模型。

栈帧变化

  本地方法被执行时，在本地方法栈也会创建一块栈帧，用于存放该方法的局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息等。

  方法执行结束后，相应的栈帧也会出栈，并释放内存空间。也会抛出 StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError 异常。

如果 Java 虚拟机本身不支持 Native 方法，或是本身不依赖于传统栈，那么可以不提供本地方法栈。如果支持本地方法栈，那么这个栈一般会在线程创建的时候按线程分配。

  与Java虚拟机栈相比，本地方法栈更加底层，允许Java程序调用操作系统底层服务，但是也更加危险和不稳定。如果本地方法存在错误或者操作系统底层服务出现问题，可能会导致程序崩溃或者出现其他错误

作用

  本地方法栈的作用是支持Java程序调用操作系统底层服务，例如文件读写、网络通信、系统调用等。通过本地方法，Java程序可以访问操作系统的API，实现更加灵活和高效的功能。

对比

本地方法栈（Native Method Stack）和虚拟机栈（Virtual Machine Stack）的异同点：

相似点：
  两者都与程序的执行过程和函数调用有关，用于管理函数的调用和返回。

不同点：