本篇文章将继续认识Java虚拟机中的内存模型,今天要认识的是我们常说的"栈”。
栈其实也分两种,一种是虚拟机栈,一种是本地方法栈。而我们平常说的最多的,就是虚拟机栈。接下来就让我们走进这两个栈,看看他们是个啥。
1.虚拟机栈
虚拟机栈,即Java Virtual Machine Stacks,描述的是Java方法执行的内存模型。
每个方法在执行的同时都会创建一个
栈帧,即Stack Frame,用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。从这里我们也可以知道,每一个方法从调用到执行完成的过程,就对应这一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。
方法调用时,创建栈帧,并压入虚拟机栈;方法执行完毕,栈帧出栈并被销毁,其过程如下图所示:
在平常的学习交流中,我们可以发现,可多人将Java的内存区分为堆内存(Heap)和栈内存(Stack)(显然,这种分法非常粗糙,从上图我们就可以看出,Java的内存区要比这复杂得多。 ),这里面说的栈内存,就是咱们现在正在了解的虚拟机栈,或者说是虚拟机栈中的局部变量表部分。
2.局部变量表
从上文我们可以知道,栈帧中存放着局部变量表、操作数栈、动态链接和方法出口等。这里我们重点认识一下局部变量表。
局部变量表存放了编译期可知的各种数据类型,都有哪些呢?
- 各种基本数据类型,即boolean、byte、char、short、int、float、long、double,以及对象引用
- 对象引用,即reference类型,它不等同于对象本身,可能是一个指向对象起始地址的引用指针,也可能是指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的地址。
- returnAddress类型,指向了一条字节码指令的地址。
需要注意的是,64位长度的long和double类型的数据会占用两个局部变量空间(Slot),其余的数据类型只占用一个。
那么局部变量表的内存空间在什么时候分配呢?
上文说到,局部变量表存放了编译期可知的各种数据类型,因此局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配,当进入一个方法时,这个方法需要在栈帧分配多大的局部变量空间是完全确定的,而
在方法运行期间也不会改变局部变量表的大小。
3.虚拟机栈的特点
与程序计数器一样,
虚拟机栈是线程隔离的,即每个线程都有自己独立的虚拟机栈。
4.虚拟机栈的异常状况
在Java虚拟机规范中,对Java虚拟机栈规定了两种异常的状况:
- 如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度,将抛出StackOverflowError异常;
- 如果虚拟机栈可以动态扩展,如果扩展时无法申请到足够的内存,将抛出OutOfMemoryError异常。
4.1 StackOverflowError
JVM会为每个线程的虚拟机栈分配一定的内存大小(-Xss参数),因此虚拟机栈能够容纳的栈帧数量是有限的,若栈帧不断进栈而不出栈,最终会导致当前线程虚拟机栈的内存空间耗尽,典型如一个无结束条件的递归函数调用,代码见下:
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26 1package javatest;
2/**
3 * java栈溢出StackOverFlowError
4 *
5 * Created by chenjunyi on 2018/4/25.
6 */
7public class JvmStackoverflowtest {
8 private int stackLength = -1;
9 //通过递归调用造成StackOverFlowError
10 public void stackLeak() {
11 stackLength++;
12 stackLeak();
13 }
14 public static void main(String[] args) {
15 JvmStackoverflowtest Searchin = new JvmStackoverflowtest();
16 try {
17 Searchin.stackLeak();
18 } catch (Throwable e) {
19 System.out.println("Stack length:" + Searchin.stackLength);
20 e.printStackTrace();
21 }
22 }
23}
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程序运行结果如下:
4.2 OutOfMemoryError
不同于StackOverflowError,OutOfMemoryError指的是当整个虚拟机栈内存耗尽,并且无法再申请到新的内存时抛出的异常。
JVM未提供设置整个虚拟机栈占用内存的配置参数。虚拟机栈的最大内存大致上等于“JVM进程能占用的最大内存(依赖于具体操作系统) – 最大堆内存 – 最大方法区内存 – 程序计数器内存(可以忽略不计) – JVM进程本身消耗内存”。当虚拟机栈能够使用的最大内存被耗尽后,便会抛出OutOfMemoryError。
可以通过不断开启新的线程来模拟这种异常,代码如下:
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27 1**
2 * java栈溢出OutOfMemoryError
3 * JVM参数:-Xss2m
4 * Created by chenjunyi on 2018/4/25.
5 */
6public class JavaVMStackOOM {
7
8 private void dontStop() {
9 while (true) {
10 }
11 }
12
13 //通过不断的创建新的线程使Stack内存耗尽
14 public void stackLeakByThread() {
15 while (true) {
16 Thread thread = new Thread(() -> dontStop());
17 thread.start();
18 }
19 }
20
21 public static void main(String[] args) {
22 JavaVMStackOOM oom = new _03_JavaVMStackOOM();
23 oom.stackLeakByThread();
24 }
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26}
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设置单个线程虚拟机栈的占用内存为2m并不断生成新的线程,最终虚拟机栈无法申请到新的内存,抛出异常:
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2 1 Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread
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注:这个例子容易玩爆内存,不要轻易尝试,知道有这个东西就行。
5.本地方法栈(Native Method Stack)
本地方法栈的功能和特点类似于虚拟机栈,均具有线程隔离的特点以及都能抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。
他们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(也就是字节码),而本地方法为虚拟机使用到的Native方法服务。
在虚拟机规范中对于本地方法栈中方法使用的语言、使用的方式与数据结构并没有强制规定,因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机(譬如Sun HotSpot虚拟机,即我们现在大多数人用的这个虚拟机)直接就把本地方法栈与虚拟机栈合二为一啦。与虚拟机栈一样,本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。