【基础篇】九、程序计数器 && JVM栈

0、运行时数据区域

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：

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

举个例子：

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：

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。

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

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！

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：

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：

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：

3、JVM栈–栈帧–局部变量表

栈里的一个个栈帧，由三部分构成：

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：

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。

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。

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。

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;
	int j = 1;
}

执行完b=2时，栈帧的局部变量表长这样：

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：

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：
  

分析下以上源码的字节码：

操作数栈的变化过程如下：

最终状态：

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

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）

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：

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

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。

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。

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();
	 
 }

运行，默认情况下，main线程的栈里放了大约10473个栈帧：

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

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。

如下：