一篇文章帮你搞定JVM中的虚拟机栈
虚拟机栈的概述
虚拟机栈出现的背景：由于跨平台性的设计，Java的指令都是根据栈来设计的。不同平台CPU架构不同，所以不能设计为基于寄存器的。
优点是跨平台，指令集小，编译器容易实现，缺点是性能下降，实现同样的功能需要更多的指令。
有不少Java开发人员一提到Java内存结构，就会非常粗粒度地将JVM中的内存区理解为仅有Java堆(heap)和Java栈(stack)?为什么？
栈是运行时的单位，而堆是存储的单位。
即：栈解决程序的运行问题，即程序如何执行，或者说如何处理数据。堆解决的是数据存储的问题，即数据怎么放，放在哪儿？
Java虚拟机栈是什么？
Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stack),早期也叫做Java栈。每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈，其内部保存一个个的栈帧(Stac k Frame),对应着一次次的Java方法调用，如下图：
Java虚拟机栈是线程私有的。
生命周期：Java虚拟机栈的生命周期和线程一致。当上图的main方法调用结束之后，那么主线程就结束了，这个时候Java虚拟机栈也就消亡了。
作用:主管Java程序的运行，它保存方法的局部变量（8种基本数据类型，对象的引用地址3），部分结果，并参与方法的调用和返回。
栈是一种快速有效的分配存储方式，访问速度仅次于程序计数器。
JVM直接对Java栈的操作只有两个:
1.每个方法执行，伴随着进栈(入栈，压栈)
2.执行结束后的出栈工作
对于栈来说不存在垃圾回收（GC）问题,但是会存在OOM(OutOfMemoryError)问题
虚拟机栈的常见异常与如何设置栈大小
栈中可能会出现的异常
Java虚拟机规范允许Java栈的大小是动态的或者固定不变的。
如果采用固定大小的Java虚拟机栈，那每一个线程的Java虚拟机栈容量可以在线程创建的时候独立选定。如果线程请求分配的栈容量超过Java虚拟机栈允许的最大容量，Java虚拟机将会抛出一个StackOverflowError异常。异常演示，如下图：
如果Java虚拟机栈可以动态扩展，并且在尝试扩展的时候无法申请到足够的内存，或者在创建新的线程时没有足够的内存去创建对应的虚拟机栈，那Java虚拟机将会抛出一个OutOfMemoryError异常。
设置栈内存大小
我们可以使用参数-Xss选项来设置线程的最大栈空间，栈的大小直接决定了函数调用的最大可达深度。
栈的存储结构和运行原理
栈中存储什么？
每个线程都有自己的栈，栈中的数据都是以栈帧(Stack Frame)的格式存在的。
在这个线程上正在执行的每个方法都各自对应一个栈帧(Stack Frame)
栈帧是一个内存区块，是一个数据集，维系着方法执行过程中的各种数据信息。
栈运行原理
JVM直接对Java栈的操作只有两个，就是对栈帧的压栈和出栈，遵循"先进后出"/"后进先出"原则。
在一条活动线程中，一个时间点上，只会有一个活动的栈帧。即只有当前正在执行的方法的栈帧(栈顶栈帧)是有效的，这个栈帧被称为当前栈帧(Current Frame),与当前栈帧相对应的方法就是当前方法(Current Method),定义这个方法的类就是当前类(Current Class)。
执行引擎运行的所有字节码指令只针对当前栈帧进行操作。
如果在该方法中调用了其它方法，对应的新的栈帧会被创建出来，放在栈的顶端，成为新的当前帧。
不同线程中包含的栈帧是不允许存在互相引用的，即不可能在一个栈帧之中引用另外一个线程的栈帧。
如果当前方法调用了其它方法，方法返回之际，当前栈帧会传回此方法的执行结果，给当前一个栈帧，接着，虚拟机会丢弃当前栈帧，使得前一个栈帧重新成为当前栈帧。
Java方法有两种返回函数的方式，一种是正常的函数返回，使用return指令；另外一种是抛出异常。不管使用哪种方式，都会导致栈帧被弹出。
栈帧的内部结构
栈帧存储内容
每个栈帧中存储着：
局部变量表(Local Variables)
操作数栈(Operand Stack)（或表达式栈）
动态链接(Dynamic Linking)（或指向运行时常量池的方法引用）
方法返回地址（Return Address）（或方法正常退出或者异常退出的定义）
一些附加信息
如下图：
局部变量表（Local Variables）
局部变量表的作用：主要是用来存储方法的参数和局部变量，以及方法的对应对象的引用(非static静态方法的局部变量表的0索引存放this引用，this是方法对应的对象的引用)
局部变量表也被称之为局部变量数组或本地变量表。
局部变量表的构造:定义为一个数字数组，主要用于存储方法参数和定义在方法体内的局部变量，这些数据类型包括各类基本数据类型，对象引用(reference),以及returnAddress类型，局部变量表的构造如下图:
线程安全问题:由于局部变量表是建立在线程的栈上，是线程的私有数据，因此不存在数据安全问题。
局部变量表所需容量大小:局部变量表所需的容量大小是在编译期确定下来的，并保存在方法的Code属性的maximum local variables数据项中。在方法运行期间是不会改变局部变量表的大小的。怎样查看代表局部变量表所需的容量大小的maximum local variables数据项呢？需要先下载一个jclasslib Bytecode Viewer插件，如下图：
然后编写一个类，如下图：
然后点击菜单Build选中Recompile LocalVariablesTest.java对此java文件进行编译，如下图：
编译成功之后，点击菜单View可以看到一个选项，Show Bytecode with jclasslib,如下图：
注意如果不对java文件进行编译的话，你打开View菜单选项之后，是看不到Show Bytecode With Jclasslib选项的。
点击Show Bytecode with jclasslib之后，选择方法->main方法->Code,然后选择杂项，如下图：
以上就是查看局部变量表所需的容量大小的过程，所有的方法，在编译后，就确定了它这个栈帧中局部变量表的长度。并且在运行期间局部变量表的容量大小是不会改变的。
方法嵌套调用的次数，由栈的大小决定，栈越大，可以存放的栈帧就越多，而每一个栈帧都代表一个方法，因此方法能够嵌套调用的次数就会越多。而栈帧的大小，其中一个影响因素就是局部变量表，局部变量表越大，栈帧就会越大，那么同样大小的栈中可以存放的栈帧数目就会变少，也就是栈中方法嵌套调用的次数会减少。而局部变量表的大小，其实是取决于方法的参数和它的局部变量的，方法的参数越多，局部变量越多，栈帧就会越大。
局部变量表中的变量只在当前方法调用中有效。在方法执行时，虚拟机通过使用局部变量表完成参数值到参数变量列表的传递过程。当方法调用结束后，随着方法栈帧的销毁，局部变量表会随之销毁。
方法对应的字节码的内部结构的剖析
如果想要查看方法对应的字节码，需要先下载一个jclasslib Bytecode Viewer插件，如下图：
然后需要把.java文件编译一下，点击Build->Recompile VariablesTest.java,重新编译某个.java类，如下图:
然后点击菜单View，然后选择Show Bytecode With Jclasslib选项，如下图:
点击Show Bytecode With Jclasslib选项之后，如下图:
在杂项中可以查看方法对应的栈帧里面的局部变量表的容量大小，如下图:
LineNumberTable中是.java文件中某一行号的代码和字节码中的指令地址的对应关系，如下图：
LocalVariableTable局部变量表选项中，可以查看局部变量表中的所有的变量和这些变量在局部变量表中的索引，如下图：
注意一个细节，LocalVariableTable局部变量表中的起始PC+长度=字节码的指令长度，如下图：
关于Slot的理解
参数值的存放总是在局部变量数组的index0开始，到数组长度-1的索引结束。
局部变量表，最基本的存储单元是Slot(变量槽)。
局部变量表中存放编译期可知的各种基本数据类型(8种)，引用类型(reference),returnAddress类型的变量。
在局部变量表里，32位以内的类型只占用一个slot(包括returnAddress类型)，64位的类型(long和double)占用两个slot。
byte,short,char在存储前被转换为int,boolean也被转换为int,false会转换成0，true会转换成1.
long和double则占据两个slot。
JVM会为局部变量表中的每一个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。
当一个实例方法被调用的时候，它的方法参数和方法体内部定义的局部变量将会按照顺序被复制到局部变量表中的每一个Slot上。
如果需要访问局部变量表中一个64bit的局部变量值时，只需要使用前一个索引即可。（比如：访问long或double类型变量），如下图：
上图中long类型占两个Slot变量槽，long类型有两个索引，索引1和索引2，当访问long类型的时候，用第一个索引，即索引1即可。
如果当前栈帧不是静态的，就是说没有static关键字修饰，那么该类型对象的引用this将会存放在index为0的slot处，其余的参数表顺序继续排列，如下图：
Slot的重复利用：栈帧中的局部变量表中的slot变量槽是可以重复利用的，你就比如，如果一个变量过了其作用域，那么这个变量所对应的slot变量槽暂时就没作用了，但是它的空间已近开辟了，不能够浪费啊，于是下一个变量可能会重复利用这个slot变量槽，以达到重复利用资源的作用，如下图：
操作数栈（Operand Stack）
操作数栈的特点
操作数栈的作用：主要用来保存计算过程的中间结果，同时也是计算过程中所涉及的变量的临时存储空间。
每一个独立的栈帧中除了包含局部变量表以外，还包含一个后进先出(Last-In-First-Out)的操作数栈，也可以称之为表达式栈(Expression Stack)。
操作数栈，在方法执行过程中，根据字节码指令，往栈中写入数据或提取数据，即入栈(push)/出栈(pop)。
如果被调用的方法带有返回值的话，其返回值将会被压入当前栈帧的操作数栈中，并更新PC寄存器中下一条需要执行的字节码指令，如下图：
操作数栈中元素的数据类型必须与字节码指令的序列严格匹配，这由编译器在编译器期间进行验证，同时在类加载过程中的类检验阶段的数据流分析阶段要再次验证。
另外，我们说Java虚拟机的解释引擎是基于栈的执行引擎，其中的栈指的就是操作数栈。
操作数栈，主要用于保存计算过程的中间结果，同时作为计算过程中变量临时的存储空间。
操作数栈就是JVM执行引擎的一个工作区，当一个方法刚开始执行的时候，一个新的栈帧也会随之被创建出来，这个方法的操作数栈是空的。
每一个操作数栈都会拥有一个明确的栈深度用于存储数值，其所需的最大深度在编译期就定义好了，保存在方法的Code属性中，为max_stack的值。
栈中的任何一个元素都是可以任意的Java数据类型。32bit的类型占用一个栈单位深度。64bit的类型占用两个栈单位深度。
操作数栈并非采用访问索引的方式来进行数据访问的，而是只能通过标准的入栈(push)和出栈(pop)操作来完成一次数据访问。
涉及操作数栈的字节码指令执行分析—代码追踪
字节码指令的执行分析过程，如下图：
注意byte,short,char,boolean类型，都会转化成int类型，然后再存储到局部变量表中。什么意思呢？比如上面的java代码中，有一句代码是byte i=15,那么它存到操作数栈的时候是byte类型，但是存储到局部变量表中的时候就变成了Int型。
如果是int m=100;因为100在一个字节以内，故100存放到操作数栈的时候是存放的byte类型，但是存放到局部变量表的时候会变成int类型，如下图：
那如果是int m=150呢，150已经超过了一个字节的长度，但是没有超过两个字节的长度，那么150存到操作数栈的时候是以short类型存放的，而保存的局部变量表的时候，仍是以int类型保存的，如下图：
同理如果是int m=(值的范围在两个到四个字节之间)，那么值存储在操作数栈的时候是Int类型，并且存储到局部变量表的时候也是int类型；
如果int m=(大于四个字节)，这个时候就会报错，因为操作数栈中的值大于四个字节，但是局部变量表中要保存的值只有四个字节，所以就会出现值存储不到局部变量表中的问题，因此就会报错。如下图
动态链接（或指向运行时常量池的方法引用）的理解与常量池的作用
动态链接的作用：把所有变量和方法的符号引用变成直接引用。
什么是符号引用？符合引用其实也就是类或者变量的实际名字，比方说你要引用一个类，首先需要知道这个类的名字，所以你需要去常量池中找这个类的符号引用，从而知道这个类的名字，然后根据动态链接，把符号引用变成直接引用。
什么是直接引用？就是这个类的实际地址。
每一个栈帧内部都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用。包含这个引用的目的就是为了支持当前方法的代码能够实现动态链接(Dynamic Linking)。
在Java源文件被编译到字节码文件中时，所有的变量和方法引用都作为符号引用(Symbolic Reference)保存在class文件的常量池里。比如：描述一个方法调用了另外的其它方法时，就是通过常量池中指向方法的符号引用来表示的，那么动态链接的作用就是为了将这些符号引用转换为调用方法的直接引用。
为什么需要常量池呢？
常量池的作用，就是为了提供一些符号和常量，便于指令的识别。
方法返回地址（Return Address）
方法返回地址的作用：
方法A调用方法B的时候，当方法B执行完毕之后，需要返回到方法A中调用方法B的那个位置以让方法A可以继续执行，那怎么才能够找到A方法调用B方法之后的位置呢？可以在A方法调用B方法的时候，记录一下此时PC寄存器里面的值给B栈帧，等到B栈帧结束之后，再把此值返回给A栈帧，这样A栈帧就能够根据PC寄存器的值找到下一条操作指令，从而可以找到方法A调用方法B之后的执行位置了。
栈的相关面试题
1.举例说明栈溢出的情况？
你比如，在main方法里面调main方法，就会出现一个栈溢出的问题，会报StackOverflowError错误。
通过-Xss设置栈的大小
2.调整栈大小，就能保证不出现溢出吗？
不一定。嗯，因为如果你要是递归调用6000次，但这时候栈的大小是只能容纳5000个栈帧，这个时候如果你把栈的大小设置的大一点，是可以防止StackOverflowError栈溢出错误发生的；但是如果无限的递归调用，没有终止条件，那么即便你的栈的大小设置的再大，也还是一样会出现StackOverflowError栈溢出错误的。
3.垃圾回收是否会涉及到虚拟机栈？
不会的，因为虚拟机栈是线程私有的，并且没有GC垃圾回收机制。
转载：https://blog.csdn.net/qq_45950109/article/details/116722163