14栈与堆上的数据存储

第05篇提到，Java 虚拟机栈中每一次方法调用都会使用一个栈帧来保存数据，栈帧由局部变量表、操作数栈和帧数据三部分组成。本文将围绕栈帧结构展开，详细剖析局部变量表的空间分配、操作数栈的工作机制，并结合 Java 堆讲解堆内存的分配与监控。


1.栈帧的组成

栈帧（Stack Frame）是 Java 虚拟机栈中的基本单位，每一次方法调用都会创建一个栈帧压入栈顶，方法执行完毕后栈帧出栈。栈帧内部由以下三部分组成：

• 局部变量表：在运行过程中存放所有的局部变量。
• 操作数栈：栈帧中虚拟机在执行指令过程中用来存放临时数据的一块区域。
• 帧数据：主要包含动态链接、方法出口、异常表的引用。

通过 Idea 的 debug 工具可以直观地查看栈帧的内容：main 方法、A 方法、B 方法、C 方法的栈帧自栈底向栈顶依次排列。


2.局部变量表

2.1局部变量表的作用

局部变量表的作用是在方法执行过程中存放所有的局部变量。编译成字节码文件时就可以确定局部变量表的内容，包括变量的编号和生效范围。


2.2 slot 槽

栈帧中的局部变量表是一个数组，数组中每一个位置称之为槽（slot），long 和 double 类型占用两个槽，其他类型占用一个槽。


2.3 this 与方法参数

实例方法中序号为 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。

方法参数也会保存在局部变量表中，其顺序与方法中参数定义的顺序一致。综合来看，局部变量表保存的内容有：实例方法的 this 对象、方法的参数、方法体中声明的局部变量。

2.4 槽的复用

为了节省空间，局部变量表中的槽是可以复用的，一旦某个局部变量不再生效，当前槽就可以再次被使用。下图展示了同一个槽位在不同生效阶段被 k、m、a、b、c、i、j 等变量依次占用的过程。


通过槽的复用机制，编译器和虚拟机可以在不增加局部变量表容量的前提下处理更多的局部变量，这是空间效率上的一个重要优化。

3.操作数栈

3.1操作数栈的作用

操作数栈是栈帧中虚拟机在执行指令过程中用来存放中间数据的一块区域。它是一种栈式的数据结构，如果一条指令将一个值压入操作数栈，则后面的指令可以弹出并使用该值。在编译期就可以确定操作数栈的最大深度，从而在执行时正确地分配内存大小。


3.2加法运算中操作数栈的应用

以如下代码为例，分析操作数栈的执行过程：

int i = 0;
int j = i + 1;

字节码指令执行过程中，操作数栈与局部变量表的协同过程如下：

1. 将常量 0 压入操作数栈；
2. 从操作数栈取出值放入局部变量表 1 号位置（即 i）；
3. 将局部变量表 1 中的数据压入操作数栈；
4. 将常量 1 压入操作数栈；
5. 将操作数栈顶部的两个数据累加，结果放入栈中；
6. 从操作数栈取出结果放入局部变量表 2 号位置（即 j）；
7. 方法结束返回。


可以看到，操作数栈是一个临时数据的"中转站"，所有计算过程的中间结果都通过它来传递。

4.帧数据

4.1动态链接

当前类的字节码指令引用了其他类的属性或者方法时，需要将符号引用（编号）转换成对应的运行时常量池中的内存地址。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。


4.2方法出口

方法出口指的是方法在正确或者异常结束时，当前栈帧会被弹出，同时程序计数器应该指向上一个栈帧中的下一条指令的地址。所以在当前栈帧中，需要存储此方法出口的地址。


4.3异常表

异常表存放的是代码中异常的处理信息，包含了异常捕获的生效范围以及异常发生后跳转到的字节码指令位置。异常表的细节会在第15篇详细展开。


5.栈内存溢出与栈大小

5.1栈内存溢出

Java虚拟机栈如果栈帧过多，占用内存超过栈内存可以分配的最大大小就会出现内存溢出。常见的场景是无限递归调用，每递归一次就压入一个栈帧，最终抛出 StackOverflowError 错误。

public static int count = 0;
// 递归方法调用自己
public static void recursion(){
    System.out.println(++count);
    recursion();
}

执行上述代码会不断把 recursion 方法的栈帧压入虚拟机栈，最终触发 StackOverflowError。


5.2栈的默认大小

如果不指定栈的大小，JVM 将创建一个具有默认大小的栈。大小取决于操作系统和计算机的体系结构：

• Linux x86（64 位）：1 MB，ppc：2 MB
• BSD x86（64 位）：1 MB
• Solaris 64 位：1 MB
• Windows：基于操作系统默认值

5.3设置栈大小

要修改 Java 虚拟机栈的大小，可以使用虚拟机参数 -Xss：

-Xss1048576
-Xss1024K
-Xss1m
-Xss1g

• 语法：-Xss栈大小
• 单位：字节（默认，必须是 1024 的倍数）、k 或者 K(KB)、m 或者 M(MB)、g 或者 G(GB)

与 -Xss 类似，也可以使用 -XX:ThreadStackSize 调整标志来配置堆栈大小，格式为 -XX:ThreadStackSize=1024。HotSpot JVM 对栈大小的最大值和最小值有要求，例如：

-Xss1k
-Xss1025m

Windows（64 位）下的 JDK8 测试最小值为 180k，最大值为 1024m。

局部变量过多、操作数栈深度过大也会影响栈内存的大小。一般情况下，工作中即便使用了递归进行操作，栈的深度最多也只能到几百，不会出现栈的溢出。所以此参数可以手动指定为 -Xss256k 节省内存。

6.堆内存分配

6.1堆的作用

一般 Java 程序中堆内存是空间最大的一块内存区域。创建出来的对象都存在于堆上。栈上的局部变量表中可以存放堆上对象的引用，静态变量也可以存放堆对象的引用，通过静态变量就可以实现对象在线程之间共享。


6.2 used、total、max 三个值

堆空间有三个需要关注的值：used、total、max。

• used：当前已使用的堆内存
• total：java虚拟机已经分配的可用堆内存
• max：java虚拟机可以分配的最大堆内存


随着堆中对象增多，当 total 即将不足时，虚拟机会继续分配内存给堆，total 值会变大，但 total 最多只能与 max 相等。

arthas 中堆内存 used、total、max 三个值可以通过 dashboard 命令看到。手动指定刷新频率（不指定默认 5 秒一次）：dashboard -i 刷新频率(毫秒)。

为什么不设置任何虚拟机参数时，arthas 显示的堆大小与设置的值不一样呢？arthas 中的 heap 堆内存使用了 JMX 技术中的内存获取方式，这种方式与垃圾回收器有关，计算的是可以分配对象的内存，而不是整个内存。

6.3堆的默认值

如果不设置任何的虚拟机参数，max 默认是系统内存的 1/4，total 默认是系统内存的 1/64。在实际应用中一般都需要设置 total 和 max 的值。

6.4设置堆大小

要修改堆的大小，可以使用虚拟机参数 -Xmx（max 最大值）和 -Xms（初始的 total）：

-Xms6291456
-Xms6144k
-Xms6m
-Xmx83886080
-Xmx81920k
-Xmx80m

• 语法：-Xmx值 -Xms值
• 单位：字节（默认，必须是 1024 的倍数）、k 或者 K(KB)、m 或者 M(MB)、g 或者 G(GB)
• 限制：Xmx 必须大于 2 MB，Xms 必须大于 1MB

6.5实战建议

Java 服务端程序开发时，建议将 -Xmx 和 -Xms 设置为相同的值，这样在程序启动之后可使用的总内存就是最大内存，而无需向虚拟机再次申请，减少了申请并分配内存时间上的开销，同时也不会出现内存过剩之后堆收缩的情况。-Xmx 具体设置的值与实际的应用程序运行环境有关，在《实战篇》中会给出设置方案。