一篇聊聊 JVM 系列之虛擬機(jī)棧

作者：郝光明 2022-06-02 07:11:13

虛擬機(jī)棧也稱為Java棧，Java每個(gè)main方法被執(zhí)行的時(shí)候，JVM都會(huì)同步創(chuàng)建一個(gè)棧幀（Stack Frame），通過存儲(chǔ)局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口等信息來支撐和完成方法的執(zhí)行。

?今天繼續(xù)給大家分享JVM系列的相關(guān)知識(shí)，今天介紹一下虛擬機(jī)棧的介紹。

1、虛擬機(jī)棧的概念

棧的操作

入棧：每一次方法調(diào)用都會(huì)有一個(gè)對(duì)應(yīng)的棧幀被壓入棧中，也成為壓棧。出棧：方法調(diào)用結(jié)束后，彈出，也成為彈棧。

2、虛擬機(jī)棧的特點(diǎn)

先進(jìn)后出的原則。
線程私有的，它的生命周期和線程保持一致，隨線程而生，隨線程而滅。
線程請(qǐng)求的棧深度大于虛擬機(jī)所允許的最大深度，會(huì)拋出StackOverflowError棧溢出異常。
虛擬機(jī)棧可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，如果擴(kuò)展的時(shí)候無法申請(qǐng)得到到足夠的內(nèi)存，就會(huì)拋出OutOfMemoryError異常。

運(yùn)行時(shí)常見的異常

NullPointerException - 空指針引用異常
ClassCastException - 類型強(qiáng)制轉(zhuǎn)換異常
IllegalArgumentException - 傳遞不合法參數(shù)異常
ArithmeticException - 算術(shù)計(jì)算異常
IndexOutOfBoundsException - 下標(biāo)越界異常
NumberFormatException - 數(shù)字格式異常
UnsupportedOperationException - 不支持的操作異常

3、棧幀

Java中每一個(gè)方法從調(diào)用開始到執(zhí)行完成的過程，其實(shí)都對(duì)應(yīng)著一個(gè)棧幀在虛擬機(jī)線程里面從入棧到出棧的過程。

4、棧幀的組成

棧幀由局部變量表、操作數(shù)棧（Operand Stack）、動(dòng)態(tài)鏈接（Dynamic Linking）、方法返回地址（Return Address）和一些附加信息（對(duì)程序調(diào)試提供支持的信息）組成。

說明：

在活動(dòng)線程中，只有位于棧頂?shù)臈凶霎?dāng)前棧幀，也是正在執(zhí)行的方法
Java執(zhí)行引擎運(yùn)行的所有字節(jié)碼指令其實(shí)都只針對(duì)當(dāng)前棧幀進(jìn)行操作

4.1 局部變量表

主要存放了編譯期明確的各種基本數(shù)據(jù)類型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、對(duì)象引用（reference 類型，它不是針對(duì)對(duì)象本身，可能是一個(gè)指向?qū)ο笃鹗嫉刂返囊弥羔槪部赡苁侵赶蛞粋€(gè)代表對(duì)象的句柄或其他與此對(duì)象相關(guān)的位置）。

4.2 操作數(shù)棧

操作數(shù)主要作為方法調(diào)用的中轉(zhuǎn)站使用，主要用來存放Java方法執(zhí)行過程中產(chǎn)生的中間計(jì)算結(jié)果和計(jì)算過程中產(chǎn)生的臨時(shí)變量。

4.3 動(dòng)態(tài)鏈接

動(dòng)態(tài)鏈接主要支撐一個(gè)Java方法需要調(diào)用其他方法的場景。當(dāng) Java 源文件被編譯成字節(jié)碼文件時(shí)，所有的變量和方法引用都作為符號(hào)引用（Symbilic Reference）保存在Class 文件的常量池里面。當(dāng)一個(gè)Java方法要調(diào)用其他Java方法，需要將常量池中指向方法的符號(hào)引用轉(zhuǎn)換為其在內(nèi)存地址中的直接引用。動(dòng)態(tài)鏈接作用：其實(shí)就是將符號(hào)引用轉(zhuǎn)換為調(diào)用方法的直接引用。

4.4 方法返回地址

Java方法開始執(zhí)行后，退出這個(gè)方法的方式：正常退出、異常退出。

正常退出：執(zhí)行引擎遇到方法返回的字節(jié)碼指令，這時(shí)候可能會(huì)有返回值傳遞給上層的方法調(diào)用者。正常退出時(shí)調(diào)用PC計(jì)數(shù)器的值可以作為返回地址。
異常退出：在方法執(zhí)行過程中遇到異常，且異常沒有在方法體內(nèi)得到處理，返回地址要交給異常處理表來決定如何處理。

說明：方法退出之后，都需要返回到方法被調(diào)用的原始位置，程序才能繼續(xù)執(zhí)行。

5、棧的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：棧幀內(nèi)數(shù)據(jù)共享：一個(gè)棧幀中內(nèi)存數(shù)據(jù)共享，不同棧幀之間數(shù)據(jù)不共享，這樣可以減少內(nèi)存消耗存儲(chǔ)速度：棧幀存取數(shù)據(jù)快，僅次于寄存器。

編譯的時(shí)候就分配好了內(nèi)存，運(yùn)行過程中不需要申請(qǐng)內(nèi)存大小，節(jié)約時(shí)間成本。

棧是機(jī)器提供的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)會(huì)分配專門的寄存器存放棧的地址，壓棧出棧都有專門的指令執(zhí)行，效率高。
相比較堆來說，訪問效率高。
缺點(diǎn)靈活性差：棧在運(yùn)行過程中，不能動(dòng)態(tài)的去申請(qǐng)內(nèi)存、程序可能會(huì)報(bào)錯(cuò)。

6、內(nèi)存中棧和堆的對(duì)比

棧屬于運(yùn)行時(shí)的單位主要解決程序如何執(zhí)行的問題，堆屬于存儲(chǔ)的單位主要是用來解決數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)問題。

堆是運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)較大的一塊，所以Java的對(duì)象基本都放在堆空間。
棧主要用來存放基本數(shù)據(jù)類型的局部變量、引用數(shù)據(jù)類型的對(duì)象的引用

責(zé)任編輯：武曉燕來源： IT技術(shù)分享社區(qū)