4.1　虚拟机栈概述

在第1章中我们已经提到，Java语言具有跨平台性，由于不同平台的CPU架构不同，所以Java的指令不能设计为基于寄存器的，而是设计为基于栈架构的。基于栈架构的优点是可以跨平台，指令集小，编译器容易实现。缺点是性能较低，实现同样的功能需要更多的指令。

Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）早期也叫Java栈。每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈，其内部由许多栈帧（Stack Frame）构成，每个栈帧对应着一个Java方法的调用，如代码清单4-1所示。与数据结构上的栈有着类似的含义，它是一块先进后出的数据结构，只支持出栈和入栈两种操作。栈是线程私有的，虚拟机栈的生命周期和线程一致，下面举例说明。

代码清单4-1　一个栈帧对应一个Java方法的调用

每个方法被执行的时候，JVM都会同步创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。如图4-1所示，methodB()方法处于栈顶，把处于栈顶的方法称为当前方法，当methodB()方法执行完之后（图4-1中上面的框）就出栈了，methodA()方法又成了当前方法。

虚拟机栈的作用是主管Java程序的运行，栈解决程序的运行问题，即程序如何执行或者说如何处理数据。

以菜品佛跳墙为例，如图4-2所示，在做菜之前，需要准备相应的食材，比如鳐鱼翅、小鲍鱼、瑶柱、广肚等主料，这些食材就相当于Java中的变量。图4-2中关于佛跳墙的做法列出了9个步骤，每一步负责把对应的食材放入到图4-2中右侧的瓦罐中，比如第一步把姜片铺在罐底，第二步负责铺上冬笋片，后面的步骤不再赘述，这个流程步骤就相当于虚拟机栈，负责处理Java中的相关变量。图4-2中右侧的瓦罐就相当于堆空间了，关于堆的内容我们将在本书第7章讲解。

虚拟机栈保存方法的局部变量（8种基本数据类型、对象的引用地址）和部分结果，并参与方法的调用和返回。虚拟机栈有如下几个特点。

（1）栈是一种快速有效的分配存储方式，访问速度仅次于程序计数器。

（2）对于栈来说不存在垃圾回收问题，但存在内存溢出。

（3）栈是先进后出的，每个方法执行，伴随着压栈操作；方法执行结束后，伴随着出栈操作，如图4-3所示。

Java虚拟机规范允许虚拟机栈的大小是可动态扩展的或者是固定不变的（注意：目前HotSpot虚拟机中不支持栈大小动态扩展）。关于虚拟机栈的大小可能出现的异常有以下两种。

（1）如果采用固定大小的Java虚拟机栈，那每一个线程的Java虚拟机栈容量在线程创建的时候按照固定大小来设置。如果线程请求分配的栈容量超过Java虚拟机栈允许的最大容量，JVM将会抛出一个StackOverflowError异常。

（2）如果Java虚拟机栈可以动态扩展，并且在尝试扩展的时候无法申请到足够的内存，或者在创建新的线程时没有足够的内存去创建对应的虚拟机栈，那JVM将会抛出一个OutOfMemoryError（OOM，内存溢出）异常。

代码清单4-2的目的是抛出StackOverflowError异常。

代码清单4-2　StackOverflowError异常

我们可以使用参数-Xss选项来设置线程的最大栈空间，栈的大小直接决定了函数调用的最大可达深度。修改方法以IntelliJ IDEA为例。

（1）单击IntelliJ IDEA开发工具的“Run”，再单击“Edit Configurations”，如图4-4所示。

（2）进入“Edit Configurations”界面，修改“VM options”，然后单击“OK”按钮即可，如图4-5所示。

在没有设置栈大小的时候输出结果，栈大小默认为1M，如图4-6所示。

设置栈大小为256K之后的结果，如图4-7所示。

可以看到，当栈大小从默认的1M减小为256K之后，栈调用深度从22558变为了3561。这直接证明了栈的大小决定了函数调用的最大可达深度，即栈空间越大，函数调用深度越深，反之亦然。

代码清单4-3的目的是抛出OOM异常。

代码清单4-3　OOM异常

运行结果如下：

需要注意的是案例2运行环境要求32位操作系统。