【JVM基础04】——组成-什么是虚拟机栈？

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1- 引言：虚拟机栈

1-1 虚拟机栈是什么？(What)

• 虚拟机栈是每个线程独有的: Java Virtual Machine Stacks (Java虚拟机栈)，每个线程运行时候所需要的内存称为虚拟机栈，是先进后出的。栈内存也是线程安全的（因为其是每个线程独有的）。
  • 假设有栈帧来了，其会压入栈底，再有栈帧来了其会依次压入。
• 栈帧： 每个栈由多个栈帧(frame)组成，对应着每次方法调用时所占用的内存
• 活动栈帧： 每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的方法

1-2 为什么用虚拟机栈？虚拟机栈的作用 (Why)

1. 方法调用管理：

• 每个方法调用都会在虚拟机栈中创建一个新的栈帧，栈帧中包含了方法的局部变量、操作数栈、动态链接和方法返回地址等信息。通过这种机制，虚拟机能够正确地执行方法调用和返回操作。

2. 局部变量存储：

• 方法中的局部变量会存储在对应的栈帧中。由于栈帧是线程私有的，因此局部变量是线程安全的。

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2- ⭐核心：栈的常见问题(How)

2-1 方法内的局部变量是否线程安全？

线程内的局部变量是否线程安全，取决于该变量是否被多个线程共享使用。

线程安全的局部变量

• 在方法 m1 中，StringBuilder sb 是一个局部变量，仅在方法 m1 内部使用。由于每个线程调用 m1 时都会创建自己独立的 sb 变量，因此 m1 方法中的局部变量 sb 是线程安全的。

线程不安全的局部变量

• 在方法 m2 中，StringBuilder sb 作为参数传递进来，可能会被多个线程同时访问。图中显示在 main 方法中，一个新线程会调用 m2 方法并传入 sb 变量。这种情况下，sb 变量被多个线程共享使用，因此 m2 方法中的局部变量 sb 是线程不安全的。
• 在方法 m3 中，StringBuilder sb 虽然是在方法内部创建的局部变量，但方法返回了这个变量的引用。此时，外部方法（例如 main 方法）可以共享和修改这个返回的 sb 变量。如果多个线程调用 m3 方法并使用返回的 sb 变量，也会导致线程不安全。

结论

• 线程安全：当局部变量在方法内部使用，并且没有逃离方法的作用范围，它是线程安全的。
• 线程不安全：如果是局部变量引用了对象，并逃离方法的作用范围（当局部变量通过参数传递或者作为返回值返回），导致可能被多个线程共享使用，此时是线程不安全的。

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2-2 什么情况会导致栈内存溢出？

① 栈帧过多导致栈内存溢出，典型的问题：递归调用

② 栈帧过大导致栈内存溢出

• 局部变量过多：当一个方法中定义了过多的局部变量，每个局部变量都需要在栈中分配空间，导致栈帧过大。如果栈帧大小超过了虚拟机栈的最大限制，将会导致栈内存溢出。
• 大对象的局部变量：如果方法中包含大对象作为局部变量，这些对象会占用大量的栈空间，导致栈帧过大，进而可能导致栈内存溢出。

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2-3 栈和堆的区别？

①用途和存储内容不同

• 栈内存：用于存储局部变量和方法调用。每当一个方法被调用时，都会在栈中创建一个新的栈帧，用于存储该方法的局部变量、操作数栈、动态链接和方法返回地址等信息。
• 堆内存：用于存储所有的 Java 对象和数组。堆是一个被所有线程共享的内存区域，用于存放在运行时创建的对象和数组。

②线程安全性：

• 栈内存：是线程私有的，每个线程都有自己的栈，因此栈内存是线程安全的，不需要考虑多线程并发访问的问题。
• 堆内存：是线程共享的，多个线程可以访问同一个对象，因此需要考虑线程安全问题，可能需要同步机制来避免数据竞争。

③内存管理：

• 栈内存：由系统自动分配和释放。每当方法调用时，栈帧自动分配；方法结束时，栈帧自动销毁，内存释放。
• 堆内存：由垃圾回收器（GC）管理。Java 程序中对象的分配和释放由垃圾回收器负责，当对象不再被引用时，GC 会自动回收这些对象所占用的内存。

④存储大小：

• 栈内存：通常较小且固定，每个线程有一个独立的栈，栈大小在程序启动时由虚拟机设置。
• 堆内存：通常较大且可动态扩展，整个 Java 应用程序共享一个堆内存区域，堆大小可以在启动时通过 JVM 参数进行配置。

⑤内存溢出：

• 栈内存：栈的内存不足会抛出 StackOverflowError，常见原因是递归调用过深或方法调用层次过多，导致栈帧数量过多。
• 堆内存：堆的内存不足会抛出 OutOfMemoryError，常见原因是创建了过多的对象，或对象占用的内存过大，导致堆内存耗尽。

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3- 小结：

3-1 什么是虚拟机栈？

3-2 垃圾回收是否涉及栈内存？

3-3 栈内存分配越大越好吗？

3-4 方法内的局部变量是否线程安全？

3-5 什么情况会导致栈内存溢出？

3-6 栈和堆的区别？

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