虚拟机栈 | 小菜鸟

JVM 虚拟机栈：方法执行的内存模型

虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）是 JVM 运行时数据区的核心组件之一，它专门用于描述 Java 方法的执行过程。作为线程私有的内存区域，虚拟机栈的生命周期与线程一致，内部通过 “栈帧” 记录方法调用的状态，是理解方法执行、局部变量存储、操作数计算的关键。

虚拟机栈的基本特性

1. 线程私有

每个线程在创建时会同步创建一个虚拟机栈，各线程的虚拟机栈相互隔离，确保方法执行的线程安全性。例如，线程 A 调用 methodA() 和线程 B 调用 methodA() 会在各自的虚拟机栈中生成独立的栈帧，互不干扰。

2. 栈帧为核心单位

虚拟机栈的内部存储单元是栈帧（Stack Frame），每个方法的调用对应一个栈帧的 “入栈”，方法执行完成（正常返回或抛出异常）对应栈帧的 “出栈”。因此，虚拟机栈的操作极其简单：只有入栈（push）和出栈（pop）两种操作。

3. 无垃圾回收

虚拟机栈的内存随方法调用动态分配，随方法结束自动释放（栈帧出栈），无需 GC 介入，内存管理高效且确定。

4. 访问速度快

虚拟机栈的内存分配和释放基于连续的栈空间，访问速度仅次于程序计数器，远快于堆内存。

栈帧：方法执行的状态载体

栈帧是虚拟机栈的基本组成单元，每个栈帧对应一个方法的执行状态，内部包含局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址和附加信息五部分。

1. 局部变量表：存储方法参数与局部变量

局部变量表（Local Variable Table）是栈帧中用于存储方法参数和局部变量的内存区域，其结构为数字数组，容量在编译期已确定（记录在方法的 Code 属性的 locals 字段中），运行时不可动态调整。

（1）存储单元：变量槽（Slot）

局部变量表以 “变量槽（Slot）” 为基本存储单元，每个 Slot 占用 4 字节（32 位）：

32 位类型（byte、short、char、int、float、对象引用、boolean）占用 1 个 Slot；
64 位类型（long、double）占用 2 个连续的 Slot（遵循 “对齐” 原则，不允许跨方法拆分）。

（2）存储内容

方法参数：按参数声明顺序存储，实例方法的第一个 Slot 固定存储 this 引用（静态方法无 this）；
局部变量：方法内定义的变量，按定义顺序依次分配 Slot（已分配的 Slot 可被复用，如作用域结束的变量 Slot 可被后续变量使用）。

（3）实例解析

通过字节码查看局部变量表结构（使用 javap -v 类名 命令）：

// 示例方法
public void test(int a, String b) {
    int c = 10;
}

编译后的字节码片段（局部变量表相关部分）：

public void test(int, java.lang.String);
  descriptor: (ILjava/lang/String;)V
  flags: ACC_PUBLIC
  Code:
    stack=1, locals=4, args_size=3  // locals=4 表示局部变量表有4个Slot
    // 字节码指令...
  LocalVariableTable:
    Start  Length  Slot  Name   Signature
        0       5     0  this   Lcom/example/Test;  // 实例方法的this引用（Slot 0）
        0       5     1     a   I                  // 参数a（int，Slot 1）
        0       5     2     b   Ljava/lang/String; // 参数b（引用，Slot 2）
        3       2     3     c   I                  // 局部变量c（int，Slot 3）

实例方法的 this 固定占用 Slot 0；
参数 a（int）和 b（引用）分别占用 Slot 1 和 2；
局部变量 c（int）占用 Slot 3，总容量为 4 个 Slot（locals=4）。

2. 操作数栈：方法执行的计算引擎

操作数栈（Operand Stack）是栈帧中用于临时存储计算中间结果、传递方法参数的内存区域，本质是一个后进先出（LIFO）的栈结构。

（1）栈深度与类型

操作数栈的最大深度（栈容量）在编译期确定（记录在方法 Code 属性的 stack 字段中）：

32 位类型占用 1 个栈单位深度；
64 位类型占用 2 个栈单位深度。

（2）核心作用

中间结果存储：算术运算（如 i + j）时，先将 i 和 j 入栈，执行加法指令后弹出结果并压栈；
方法参数传递：调用方法时，将参数依次压入操作数栈，供被调用方法读取；
临时变量空间：替代寄存器暂存数据，减少对物理寄存器的依赖。

（3）实例解析

通过字节码查看操作数栈的工作过程：

// 示例方法：计算 a + b
public int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

编译后的字节码片段：

public int add(int, int);
  descriptor: (II)I
  flags: ACC_PUBLIC
  Code:
    stack=2, locals=3, args_size=3  // stack=2 表示操作数栈最大深度为2
       0: iload_1         // 将 Slot 1 的 a 入栈（操作数栈：[a]）
       1: iload_2         // 将 Slot 2 的 b 入栈（操作数栈：[a, b]）
       2: iadd            // 弹出 a 和 b，计算 a+b，结果入栈（操作数栈：[a+b]）
       3: ireturn         // 弹出结果并返回

过程解析：

iload_1：从局部变量表 Slot 1 加载 a 到操作数栈；
iload_2：从局部变量表 Slot 2 加载 b 到操作数栈；
iadd：弹出 a 和 b，计算和后将结果压栈；
ireturn：弹出结果作为返回值，栈帧出栈。

3. 动态链接：符号引用到直接引用的转换

动态链接（Dynamic Linking）是栈帧中用于支持方法调用的关键机制，其核心是将常量池中的 “符号引用” 转换为内存中的 “直接引用”（如方法的内存地址）。

（1）符号引用与直接引用

符号引用：编译期生成的字符串标识（如类名、方法名），存储在 class 文件的常量池中（如 #3、#8 等），与内存地址无关；
直接引用：直接指向目标的内存地址（如指针、偏移量），可直接访问目标。

（2）转换时机

静态解析：类加载阶段（解析阶段）将部分符号引用（如静态方法、私有方法，无法被重写）转换为直接引用，运行期不再改变；
动态链接：运行期每次调用方法时转换符号引用（如接口方法、重写的子类方法），支持 “动态绑定”（晚期绑定）。

（3）实例解析

字节码中方法调用的符号引用：

// 调用 System.out.println("hello") 的字节码
getstatic     #3                  // 符号引用：Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
ldc           #7                  // 符号引用：String "hello"
invokevirtual #8                  // 符号引用：Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V

#3、#7、#8 是常量池中的符号引用，运行时通过动态链接转换为 System.out 字段的内存地址和 println 方法的入口地址。

4. 方法返回地址：恢复调用者执行状态

方法返回地址用于记录调用当前方法的上层方法的执行位置（即调用者的程序计数器值），确保方法执行完成后，调用者能从正确的位置继续执行。

（1）两种返回方式

正常返回（return）：方法执行 return 指令时，将返回值压入调用者的操作数栈，然后将返回地址设置为调用者的程序计数器值，当前栈帧出栈；
异常返回：方法执行过程中抛出未捕获的异常，此时无返回值，通过异常表找到调用者的异常处理入口，当前栈帧直接出栈。

5. 附加信息

栈帧中还可能包含与虚拟机实现相关的附加信息（如调试信息），这部分不是 JVM 规范强制要求的，不同虚拟机（如 HotSpot、J9）可能有不同实现。

虚拟机栈的异常

虚拟机栈的内存大小可通过参数配置（固定大小或动态扩展），可能出现两种异常：

1. StackOverflowError

当线程请求的栈深度超过虚拟机允许的最大深度时抛出，典型场景是递归调用无终止条件。例如：

public void recursive() {
    recursive();  // 无限递归，栈帧持续入栈，最终触发 StackOverflowError
}

可通过 -Xss 参数调整栈大小（如 -Xss1m 表示栈大小为 1MB），但栈大小过大会导致可创建的线程数减少（总内存固定时）。

2. OutOfMemoryError

若虚拟机栈支持动态扩展，当扩展时无法申请到足够内存时抛出；
若虚拟机栈为固定大小，当创建线程时无法为其分配初始栈内存时抛出（如系统内存不足，无法创建新线程）