JVM(一)：通过例子了解JVM内存区域中虚拟机栈的执行原理

我们知道属于线程私有，每个线程虚拟机都会为它单独开辟一块独有的栈内存区域。每个栈里面主要组成成分为”栈帧”，每个方法对应一块”栈帧”内存区域。如下代码：

public class Math {
    public int compute() {
        int a = 1;
        int b = 2;
        int c = (a+b)*10;
        return c;
    }
    public static void main(String[] args) {
        Math math = new Math();
        math.compute();
    }
}

程序运行JVM会为主线程开辟一块内存区域，内存区域中有两块 “栈帧”，每个栈帧由四部分组成：
局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口，如下是一个整体执行流程图：

图的右边是JVM的内存区域，这里不去了解内存区域的原理，因为我这篇文章只是分析内存区域中的虚拟机栈的原理结构，我们根据上面的代码运行过程来分析下虚拟机栈。

该执行流程运行过程如下：

1、当运行到main方法时，先在该线程的虚拟机栈中创建了一个main方法的栈帧。
2、然后在局部变量表中创建一个math变量，而对象是放在堆中的，所以局部变量表中放的是math的引用
3、4执行到math对象的compute()方法的时候，根据math对象头中的信息去方法区找到Math.class的类元信息，找到compute()方法所在的位置（该过程是在程序运行期间把符号引用变为直接引用，所以叫做动态链接）
5、再在该虚拟机栈创建一个compute()方法对应的栈帧，然后开始执行compute()方法。

执行compute()方法流程如下

我们先看一下compute()方法的字节码指令：javap -c Math.class

public int compute();
    Code:
       0: iconst_1
       1: istore_1
       2: iconst_2
       3: istore_2
       4: iload_1
       5: iload_2
       6: iadd
       7: bipush        10
       9: imul
      10: istore_3
      11: iload_3
      12: ireturn

上面只是抽取出来compute()方法的反汇编格式来描述：
我们这里先列一下上面锁需要用到的JVM栈和局部变量操作将常量压入栈的指令：

iconst_1 将int类型常量1压入操作数栈
istore_1 将int类型值存入局部变量1
iconst_2 将int类型常量2压入栈
istore_2 将int类型值存入局部变量2
iload_1 从局部变量1中装载int类型值
iload_2 从局部变量2中装载int类型值
iadd 执行int类型的加法
bipush 将一个8位带符号整数压入栈
imul 执行int类型的乘法
istore_3 将int类型值存入局部变量3
iload_3 从局部变量3中装载int类型值
ireturn 从方法中返回int类型的数据

1、执行完第一步：iconst_1 将int类型常量1压入操作数栈
此时操作数栈中有值1

2、执行完第二步：istore_1 将int类型值存入局部变量1
此时局部变量表中的内容为a=1,操作数栈为空

3、执行完第三步：iconst_2 将int类型常量2压入栈
此时局部变量表中的内容为a=1,操作数栈为2，如下图

4、执行完第四步：istore_2 将int类型值存入局部变量2
此时局部变量表中的内容为a=1，b=2,操作数栈为空

5、执行完第五步：iload_1 从局部变量1中装载int类型值
此时局部变量表中的内容为b=2,操作数栈为1

6、执行完第六步：iload_2 从局部变量2中装载int类型值
此时局部变量表中的内容为空,操作数栈为2、1如下图

7、执行完第七步：iadd 执行int类型的加法
此时局部变量表中的内容为空,操作数栈为3

8、执行完第八步：bipush 将一个8位带符号整数压入栈
此时局部变量表中的内容为空,操作数栈为10、3如下图

9、执行完第九步：imul 执行int类型的乘法
此时局部变量表中的内容为空,操作数栈为30

10、执行完第十步：istore_3 将int类型值存入局部变量3
此时局部变量表中的内容为c=30,操作数栈为空

11、执行完第十一步：iload_3 从局部变量3中装载int类型值
此时局部变量表中的内容为空,操作数栈为30

12、执行完第十二步：ireturn 从方法中返回int类型的数据
此时局部变量表中的内容为空,操作数栈为空

此时执行到compute()栈帧的方法出口，然后销毁compute()栈帧返回到main()栈帧。

上面执行期间，程序计数器一直在计数。

栈内存设置

每个线程的栈内存区域使用的内存大小可以如下参数设置，如

-Xss512K

表示栈内存大小设置为512K，默认值是1M，我们可以很容易的知道，栈内存越大
那么JVM能启动的线程数就越少，栈内存设置的越小，则线程数就越大。

StackOverflowError错误演示

其实思路很简单，我们做个递归程序，先设置栈内存为-Xss128k,我们看看能够建立多少个栈帧把栈内存撑爆，代码如下：

public class TestStackOverflowError {
    private static int index =0;
    public void fun() {
        //创建一个栈帧
        index++;
        fun();
    }
    public static void main(String[] args) {
        TestStackOverflowError test = new TestStackOverflowError();
        try {
            test.fun();
        } catch (Throwable e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
            System.out.println("建立的方法（栈帧）数目："+index);
        }
    }
}

简单的说一下执行流程，在运行到main方法的时候，建立了一个栈帧，然后新建对象，根据对象头找到该列方法区的元数据，然后根据符号引用动态链接找到fun方法的位置，开始执行，然后没执行一下就新建一个新的栈，我们在JVM参数中设置-Xss128k，执行程序可以看到日志为：

java.lang.StackOverflowError
    at com.suibibk.jvm.TestStackOverflowError.fun(TestStackOverflowError.java:7)`
...
    at com.suibibk.jvm.TestStackOverflowError.main(TestStackOverflowError.java:13)
建立的方法（栈帧）数目：994

大概建立了994个栈帧，实际肯定要比这个多，应为还有别的方法，比如main方法，当我们把栈内存大小设置为512k，理论上栈内存变大，那么栈帧数就可以创建更多，日志如下：

java.lang.StackOverflowError
    at com.suibibk.jvm.TestStackOverflowError.fun(TestStackOverflowError.java:7)`
...
    at com.suibibk.jvm.TestStackOverflowError.main(TestStackOverflowError.java:13)
建立的方法（栈帧）数目：10131

查看结果可以知道，跟预测的一样！

注：要用Throwable来捕获，不能用Exception，因为内存溢出是Error错误，不是Exception错误。

符号引用

我们执行javap -v TestStackOverflowError.class,类似红色圈起来的就是符号引用（嘿嘿，个人理解，以后再研究）