一、運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)

我們?cè)诰帉?xiě)Java程序時(shí)，使用JVM的流程主要如下所示：

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虛擬機(jī)在執(zhí)行Java程序時(shí)，會(huì)把它所管理的內(nèi)存劃分為不同的數(shù)據(jù)區(qū)域，即運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)。有些數(shù)據(jù)區(qū)域是線程共享的，即這些區(qū)域會(huì)隨著虛擬機(jī)的啟動(dòng)而創(chuàng)建，隨著虛擬機(jī)的關(guān)閉而銷(xiāo)毀。而另一些區(qū)域則是與線程對(duì)應(yīng)，屬于線程私有的。這些區(qū)域會(huì)隨著線程開(kāi)始而創(chuàng)建，隨著線程的結(jié)束而銷(xiāo)毀。

具體的劃分如下：
多個(gè)線程共享的：堆、方法區(qū)
每個(gè)線程私有的：程序計(jì)數(shù)器、Java虛擬機(jī)棧、本地方法棧

圖示如下：

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關(guān)于Java線程：在虛擬機(jī)中，每個(gè)線程都與操作系統(tǒng)的本地線程是直接對(duì)應(yīng)的。當(dāng)Java的線程準(zhǔn)備執(zhí)行時(shí)，操作系統(tǒng)的線程也同時(shí)創(chuàng)建了。

二、程序計(jì)數(shù)器

程序計(jì)數(shù)器是一塊很小的內(nèi)存空間，可以認(rèn)為是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器，負(fù)責(zé)保存當(dāng)前線程正在執(zhí)行的字節(jié)碼地址。

1、程序計(jì)數(shù)器的作用

① Java是支持多線程的，這也意味著CPU會(huì)不停地切換線程。虛擬機(jī)的多線程是通過(guò)CPU時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即每個(gè)線程占用CPU的時(shí)間是同等的，時(shí)間一到就會(huì)切換線程，如此重復(fù)，直到線程終止。這也意味著某個(gè)線程會(huì)因?yàn)闀r(shí)間片到而被掛起，所以當(dāng)該線程再次獲得時(shí)間片時(shí)，需要知道從哪個(gè)地方繼續(xù)執(zhí)行，此時(shí)虛擬機(jī)只需要讀取程序計(jì)數(shù)器的值就可以知道要執(zhí)行的字節(jié)碼指令的位置了。這也是程序計(jì)數(shù)器是線程私有的原因，因?yàn)槿舫绦蛴?jì)數(shù)器不是線程私有的話(huà)，當(dāng)CPU切換線程時(shí)，會(huì)按照上一個(gè)線程的字節(jié)碼指令的位置來(lái)執(zhí)行當(dāng)前線程的字節(jié)碼指令，這顯然是不正確的
② JVM的字節(jié)碼解釋器也需要通過(guò)改變程序計(jì)數(shù)器的值來(lái)明確下一條字節(jié)碼指令。

2、程序計(jì)數(shù)器的特點(diǎn)

① 程序計(jì)數(shù)器是數(shù)據(jù)區(qū)中唯一沒(méi)有規(guī)定OutOfMemoryError（內(nèi)存溢出異常）的區(qū)域。
②如果一個(gè)線程執(zhí)行的是Native本地方法，那么程序計(jì)數(shù)器的值為undefined。因?yàn)镴VM在執(zhí)行Native本地方法時(shí)，是通過(guò)JNI調(diào)用本地其他語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而不是字節(jié)碼。

三、虛擬機(jī)棧

棧是運(yùn)行時(shí)的單位，堆是存儲(chǔ)的單位。
棧解決程序的運(yùn)行問(wèn)題，即方法如何執(zhí)行（或者如何處理數(shù)據(jù)）。
堆解決的是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問(wèn)題，即數(shù)據(jù)怎么放，在那放。

1、什么是虛擬機(jī)棧

虛擬機(jī)棧在每個(gè)線程開(kāi)始時(shí)隨之創(chuàng)建，虛擬機(jī)棧與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的棧一致，也是遵循先進(jìn)后出的原則。
虛擬機(jī)棧進(jìn)行出棧入棧操作的元素就是棧幀。每一個(gè)棧幀就對(duì)應(yīng)著一個(gè)方法，也可以將棧幀理解為一個(gè)方法的運(yùn)行空間。
一個(gè)棧幀入棧，意味著一個(gè)方法被調(diào)用，一個(gè)棧幀出棧，即一個(gè)方法執(zhí)行完畢。則棧幀的入棧順序就是方法的調(diào)用順序。

有代碼：

public class VMStackTest {

    private static int i = 1;

    public static void main(String[] args) {
        VMStackTest test = new VMStackTest();
        test.add();
        System.out.println(i);
    }

    public void add(){
        i++;
    }
}

代碼所示的虛擬機(jī)棧示例如下：

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對(duì)于虛擬機(jī)棧來(lái)說(shuō)，不存在垃圾回收問(wèn)題。

Java方法有兩種方法返回方式，一種是正常的方法返回，使用return指令；另一種是拋出異常。不管是哪一種，都會(huì)導(dǎo)致棧幀被彈出。

2、棧幀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

每個(gè)棧幀都存儲(chǔ)著：
① 局部變量表
②操作數(shù)棧
③方法返回地址
④動(dòng)態(tài)鏈接
⑤一些附加信息

圖示如下：

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（1）、局部變量表
局部變量表定義為一個(gè)數(shù)字?jǐn)?shù)組，用于存放方法參數(shù)和方法內(nèi)定義的局部變量。
局部變量表建立在線程的虛擬機(jī)棧上，是線程的私有數(shù)據(jù)，因此不存在數(shù)據(jù)安全問(wèn)題。
虛擬機(jī)通過(guò)索引定位的方法查找相應(yīng)的局部變量，索引的范圍是從0~局部變量表最大容量。
局部變量表所需的容量大小是在編譯期定下的，方法運(yùn)行期間是不會(huì)該變局部變量表的大小的。

（2）、操作數(shù)棧
操作數(shù)棧也是一個(gè)棧的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，操作數(shù)棧的最大深度也在編譯的時(shí)候定下。
操作數(shù)棧的每一個(gè)元素可以是任意Java數(shù)據(jù)類(lèi)型，在方法執(zhí)行過(guò)程中，操作數(shù)棧的深度都不會(huì)超過(guò)最大值。
操作數(shù)棧的作用是： 隨著方法執(zhí)行和字節(jié)碼指令的執(zhí)行，會(huì)從局部變量表或?qū)ο髮?shí)例的字段中復(fù)制常量或變量寫(xiě)入到操作數(shù)棧，再隨著計(jì)算的進(jìn)行將棧中元素出棧到局部變量表或者返回給方法調(diào)用者，也就是出棧/入棧操作。一個(gè)完整的方法執(zhí)行期間往往包含多個(gè)這樣出棧/入棧的過(guò)程。

（3）、方法返回地址
一個(gè)方法結(jié)束，有正常執(zhí)行完畢退出和拋出異常（沒(méi)catch），非正常退出兩種。
無(wú)論是那種方式，在退出后都會(huì)返回到該方法被調(diào)用的位置。
正常退出時(shí)，調(diào)用者的程序計(jì)數(shù)器的值會(huì)作為返回地址，即調(diào)用該方法的指令的下一條指令的地址。但是異常退出時(shí)，返回地址要通過(guò)異常表來(lái)確定。
實(shí)際上，方法的退出就是當(dāng)前棧幀出棧的過(guò)程。故需要恢復(fù)上一層棧幀的局部變量表、操作數(shù)棧、將返回值壓入調(diào)用者棧幀的操作數(shù)棧，并設(shè)置其程序計(jì)數(shù)器的值等，讓調(diào)用者棧幀繼續(xù)執(zhí)行下去。
兩種方法結(jié)束的區(qū)別是：因拋出異常而退出的方法不會(huì)給調(diào)用他的調(diào)用者棧幀任何返回值

3、虛擬機(jī)棧的常見(jiàn)異常

《Java虛擬機(jī)規(guī)范》中，允許虛擬機(jī)棧的大小是動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的或者固定不變的。
這意味著，虛擬機(jī)棧會(huì)出現(xiàn)兩種異常：
① StackOverflowError異常（棧溢出）：
如果線程請(qǐng)求分配的棧容量超過(guò)Java虛擬機(jī)的最大容量時(shí)，就會(huì)拋出棧溢出異常。最簡(jiǎn)單的示例就是不停遞歸而不退出，就會(huì)報(bào) StackOverflowError。
當(dāng)虛擬機(jī)棧的大小為固定時(shí)，易出現(xiàn)該異常。

②OutOfMemoryError異常（內(nèi)存溢出）
當(dāng)虛擬機(jī)棧采用動(dòng)態(tài)擴(kuò)展時(shí)，一定程度上可以規(guī)避 StackOverflowError，但是虛擬機(jī)給每個(gè)線程分配到的內(nèi)存空間是有限的，這也意味著隸屬于線程的虛擬機(jī)棧的內(nèi)存也是有限的，所以當(dāng)虛擬機(jī)棧請(qǐng)求擴(kuò)展的內(nèi)存大小無(wú)法滿(mǎn)足時(shí)，就會(huì)報(bào)該異常。
但是并不意味著，采用固定大小的虛擬機(jī)棧就不會(huì)報(bào)該異常，如果某個(gè)棧幀太大，超出虛擬機(jī)棧所有的內(nèi)存也是可能的。

四、本地方法棧

（1）、本地方法
一個(gè)Native Method就是一個(gè)Java調(diào)用非Java代碼的接口。在定義一個(gè)本地方法時(shí)，并不提供實(shí)現(xiàn)體（有些就像定義一個(gè)Java interface），因?yàn)閷?shí)現(xiàn)體是由非Java語(yǔ)言在外面實(shí)現(xiàn)的。本地接口的作用是融合不同的編程語(yǔ)言為Java所用。
（2）、本地方法棧
虛擬機(jī)棧是用于管理Java方法的調(diào)用，本地方法棧是用于管理本地方法的調(diào)用。
①本地方法棧是線程私有的
②本地方法棧也是可實(shí)現(xiàn)固定或者可動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的內(nèi)存大?。ㄟ@也意味著本地方法棧的異常也與虛擬機(jī)棧一致）
③本地方法棧存放著被native關(guān)鍵字標(biāo)記的方法，在執(zhí)行引擎執(zhí)行時(shí)加載本地方法庫(kù)。
④并不是所有的JVM都支持本地方法，故也無(wú)需實(shí)現(xiàn)本地方法棧
⑤在HotSpot JVM中，直接將本地方法和虛擬機(jī)棧合二為一。

五、擴(kuò)展--設(shè)置棧內(nèi)存大小

有代碼如下：

public class StackOverError {
    private static int count = 1;
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(count);
        count++;
        main(args);
    }
}

在代碼中采用了遞歸，以count++的次數(shù)來(lái)查看目前虛擬機(jī)棧的深度。其結(jié)果如下：

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設(shè)置棧的大?。?-Xss1m或者-Xss1k (設(shè)置方法IDEA：Run --> Edit Configuration --> VM option)

結(jié)果如下，

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故可看出使用參數(shù) -Xss可以設(shè)置線程的最大棧空間，且虛擬機(jī)棧的大小直接決定了函數(shù)調(diào)用的大小。

參考：
知乎-JVM虛擬機(jī)棧執(zhí)行原理深入詳解

2020最新-JVM-Java虛擬機(jī)-從入門(mén)到精通-尚硅谷

知乎-Java虛擬機(jī)—棧幀、操作數(shù)棧和局部變量表