【基础篇】九、程序计数器 && JVM栈

向右看齐 2024-04-23 15:48 164阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  0、运行时数据区域
 *  1、程序计数器
 *  2、JVM栈
 *  3、JVM栈--栈帧--局部变量表
 *  4、JVM栈--栈帧--操作数栈
 *  5、JVM栈--栈帧--桢数据
 *  6、栈溢出
 *  7、设置栈空间大小
 *  8、本地方法栈

## 0、运行时数据区域 ##

![在这里插入图片描述][b0735022dbde42969045a0dc36770628.png]

JVM结构里，类加载器下来，到了运行时数据区域，即Java程序运行时，JVM管理的内存区域，其又分为：

![在这里插入图片描述][da9c8137d04a41b4b7be6178f27b4839.png]

栈这里可以细划分为两部分：

*  Java虚拟机栈：保存在Java中的方法
 *  本地方法栈：保存的native方法，c++实现的那些

## 1、程序计数器 ##

> 程序计数器（Program Counter Register）也叫PC寄存器，每个线程会通过它来记录接下来要执行的的字节码指令的地址

![在这里插入图片描述][4be6c08ebb124f538781110b06a297f5.png]

举个例子：

![在这里插入图片描述][172fd200bdf54af5900558e22d4a9e2b.png]

类加载阶段，类加载器将字节码指令读到内存中后，将原来的偏移量改为内存地址，每条字节码指令都对应一个内存地址：

![在这里插入图片描述][b82859618adb40a1b99fbb781c997d02.png]

执行完当前这一条指令后，JVM的执行引擎（JIT、解释器等）根据程序计数器中记录的数据，就拿到了接下来要执行的指令的地址。

![在这里插入图片描述][f091c7432b3549ac9551501538611f06.png]

多线程下，CPU从线程A切换到线程B，得知道线程B之前解释执行到哪一句指令了，此时JVM的程序计数器就发挥作用了

![在这里插入图片描述][ef4e0ba7f8f645a98d1971ff3fd5775f.png]

此外，程序计数器可以控制程序指令的进行，实现分支、跳转、异常等逻辑

## 2、JVM栈 ##

> JVM的栈采用栈的数据结构，保存方法调用的基本数据，先进后出，其中，每一个调用的方法用一个叫`栈帧`的东西存。

如下图，流程为：

main入栈
    study入栈
    eat入栈
    eat出栈.....
    sleep入栈
    sleep出栈.....
    study出栈.....
    main出栈.....
    执行结束！

![在这里插入图片描述][6a2b469c5cce4c58846fe9d2b97e0cc4.png]

断点打在C方法里，看下IDEA中debug的栈信息，点击栈里的每个方法，跳到当前该方法执行在的那一行：

![在这里插入图片描述][d22584fe1dca476989eb76de5826a02d.png]

修改程序，让C程序抛出异常：

public class FrameDemo{
        
    	
    	public static void main(String[] args){
        
    		A();
    	}
    	public static void A(){
        
    		System.out.println("A执行了...");
    		B();
    	}
    	public static void B(){
        
    		System.out.println("B执行了...");
    		C();
    	}
    	public static void C(){
        
    		System.out.println("C执行了...");
    		throw new RuntimeException("测试");   //异常
    	}
    }

可以发现，结果里也展示了异常发生时的栈信息，以及每个方法具体执行到哪一行了：

![在这里插入图片描述][0a73b11ecb6a4f04a3786fdb15d69e2f.png]

**JVM的栈随着线程的创建而创建，也随着线程的销毁而回收，每个线程都有一个自己的JVM栈**：

![在这里插入图片描述][cd3987ddc5634704bffbb86fcca7546f.png]

## 3、JVM栈–栈帧–局部变量表 ##

栈里的一个个栈帧，由三部分构成：

![在这里插入图片描述][597aa0253e714933b9049b7e394a8687.png]

局部变量表用来存方法执行过程中的所有局部变量，类被编译成字节码时，局部变量表的内容就确定了：

![在这里插入图片描述][c9d648a2d05247d99e31763816f318c7.png]

想访问一个变量，自然是要在它声明定义之后，所以局部变量表里的起始PC就是保存了从哪一行字节码指令开始，可以访问这个变量，对于变量i，其值就为2。而长度字段为3，即代表在2.3.4这三行里可以访问i。总之就是通过局部变量表控制可以访问每个变量的范围。 是字节码文件中的局部变量表，它的作用是做安全性上的校验，比如变量的生效范围。

![在这里插入图片描述][632606a7f58745f5b6513d46a017af02.png]

而栈帧自己的局部变量表就是一个数组，数组的每个位置叫槽slot，long和double类型占用两个槽，其他类型占用一个槽。 如上图，i占0号位，一个槽，后面long类型的j则占两个。再看字节码文件里局部变量表中的**序号**，其实就是这个局部变量i，在栈帧的局部变量表的起始槽的编号。

![在这里插入图片描述][a043069676ea4cb4a4bd425b6e0b8f3f.png]

实例方法中的序号为0的位置存放的是this，指的是当前调用方法的对象，运行时会在内存中存放实例对象  
的地址。

![在这里插入图片描述][09ba420a16694d5e9cf819dd0f693349.png]

局部变量表也会存方法的形参，且顺序与形参顺序一致。

> 一句话，局部变量表中存的是实例方法的this对象、方法的形参、方法体中声明的局部变量

注意，局部变量表的槽可以重复使用，**一旦某个局部变量不再生效，当前槽就可以再次被使用**。

public void test4(int k,int m){
        
    	
    	{
        
    		int a = 1;
    		int b = 2;
    	}
    	{
        
    		int c = 1;
    	}
    	int i = 0;
    	long j = 1;
    }

执行完b=2时，栈帧的局部变量表长这样：

![在这里插入图片描述][44a9c46560b6473f8b5997159ce21e69.png]

再往下走，字节码为：

iconst_1
    istore_3

即把字面量1放入了3号槽，复用了a变量的槽。同理往下推，最终的局部变量表长这样：

![在这里插入图片描述][d1f7ac1df2b6403cace4ef8eaf06d201.png]

因此，上面的代码在其栈帧的局部变量表中会占用6个槽，而不是简单的1+1+1 +1+1 +1 +1+2 = 9

## 4、JVM栈–栈帧–操作数栈 ##

*  操作数栈是JVM在执行指令时，用来存放中间数据的区域
 *  栈的数据结构，压栈+弹栈
 *  编译器就可决定操作数栈的最大深度，用jclasslib验证：  
    ![在这里插入图片描述][725836f7ef174221a5fcd304c8ad34bb.png]

分析下以上源码的字节码：

![在这里插入图片描述][05746b29da90434490a8d82277c86335.png]

操作数栈的变化过程如下：

![在这里插入图片描述][eae86770601642a9bd081f6adc1120a0.png]  
![在这里插入图片描述][33d85d44d69b4b0abd26bd6744197f73.png]

最终状态：  
![在这里插入图片描述][da4ba6a833664d498c7416d0b3d488ee.png]

可以看到，整个过程中，操作数栈里最多有两个数据，即操作数栈的最大深度为2，此时创建栈帧时，创建深度为2的操作数栈即可。

## 5、JVM栈–栈帧–桢数据 ##

桢数据主要含：

*  动态链接
 *  方法出口
 *  异常表引用

Part1：动态链接

![在这里插入图片描述][bed34a2d7d8d41dd86e554994701dbc3.png]  
当前类的字节码中引用了别的类的方法或属性，要将符号引用（\#10）转成内存地址。动态链接就保存了编号到运行时常量池的内存地址的映射关系。

Part2：方法出口

在栈帧的桢数据中，存放了上一个方法的地址（sleep方法的桢数据有study方法执行到哪一行的信息）  
![在这里插入图片描述][3e32f6f129154828959964ecec98628b.png]

当方法正常结束或发生异常结束时，当前栈帧被弹出，同时程序计数器指向上一个栈帧的下一条指令地址：

![在这里插入图片描述][a9dfadd53f434e47b24b842ab2f026a7.png]

Part3：异常表引用

**存放异常捕获的范围，以及这个范围发生异常后跳哪一行。** eg：看异常表的第一行，从起始PC 0到结束PC 2，如果发生异常，就跳转到第7行，astore\_0即把捕获的异常对象e放到局部变量表中，因为catch块中大概率会用到e对象

![在这里插入图片描述][0f15dafe765941519400dbe26be166c9.png]

## 6、栈溢出 ##

一个线程的栈里，栈帧过多，占用的内存到达了分配的最大值，再入栈就会StackOverflowError，即栈溢出。

![在这里插入图片描述][7d2014e1684c4b948b2f36ff974edcd8.png]

如下为OpenJDK8里JVM的源码，不指定栈的大小时，JVM创建的是一个默认大小的栈，不同的操作系统里，这个默认值也不同。

![在这里插入图片描述][ea0d3d42e9bc4165a3b96da131294675.png]

用无停止条件的递归来看栈溢出：

public static int count = 0;
    //递归方法调用自己
     public static void recursion(){
        
     
    	 System.out.println(++count);
    	 
    	 recursion();
    	 
     }

![在这里插入图片描述][f3bda15abec1428897877e47ee94d1a3.png]  
运行，默认情况下，main线程的栈里放了大约10473个栈帧：

![在这里插入图片描述][2e7357d4c600422389a7371800342c20.png]

## 7、设置栈空间大小 ##

添加JVM参数：

-Xss栈大小

单位默认是byte字节（默认，必须是 1024 的倍数），可选k或者K(KB)、m或者M(MB)、g或者G(GB）

eg:
    -Xss1048576 
    -Xss1024K 
    -Xss1m
    -Xss1g

![在这里插入图片描述][41fcc3a61198448c9b7f25b95a16e8c9.png]  
设置线程栈空间大小，还可以用另一个参数：

//注意等号
     -XX:ThreadStackSize=1024

HotSpot对栈空间的大小有范围限制，Windows（64位）下的JDK8测试最小值为180k，最大值为1024m，超过这个范围，即使设置了也不会生效。

//无效
    -Xss1k
    -Xss1025m

当然，局部变量过多（栈帧局部变量表大）、操作数栈深度大，在相同大小下，能存的栈帧数量也就少了。最后，工作中，该值**建议用**：

-Xss256k

## 8、本地方法栈 ##

JVM栈中存的是Java方法的栈桢，本地方法栈里存的则是native本地方法的栈帧。不过在HotSpot虚拟机中，JVM栈和本地方法栈实现上使用了同一个栈空间。

![在这里插入图片描述][c569185282ca412c9de46b90cde4ea0c.png]

如下：

![在这里插入图片描述][6169c7ece9a74959a23800ea130ef101.png]

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[da9c8137d04a41b4b7be6178f27b4839.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/23/5ebbf49f5f1245eba3d3bde597df9394.png
[4be6c08ebb124f538781110b06a297f5.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/23/329fa023c2a349aa8ebe236e2e289560.png
[172fd200bdf54af5900558e22d4a9e2b.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/23/9e39eaa46c644f019506e43eaa1d732d.png
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[da4ba6a833664d498c7416d0b3d488ee.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/23/b86a129e0b3247d5a0b59f8722228b3a.png
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[41fcc3a61198448c9b7f25b95a16e8c9.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/23/13fdf7952d9c47c082e6f03dbca080fa.png
[c569185282ca412c9de46b90cde4ea0c.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/23/fe7676cb5e14487e89db6e1d9c71209d.png
[6169c7ece9a74959a23800ea130ef101.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/23/44722c37133047a4a94003e46577778c.png