编程还在死记硬背？图解才是永远滴神——图解虚拟机栈和栈帧

1、虚拟机栈与栈帧

Java的JVM划分为堆、栈、方法区等模块，这里的栈指的就是虚拟机栈；那什么是栈帧？虚拟机栈和栈帧又有什么关系呢？先来看一段代码：

/**
 * @Author: Liziba
 * @Date: 2021/11/26 18:50
 */
public class ThreadDemo4 {

    public static void main(String[] args) {
        while (true) {
            method();
        }
    }

    private static void method() {
        method();
    }

}

这段代码演示了一个错误递归调用的方式，很显然当main方法执行的时候，程序会抛出java.lang.StackOverflowError异常，这个异常大家都知道叫栈溢出，那为什么会抛出这个异常呢？

之所以会抛出StackOverflowError异常，这就和栈帧有关了。把上面的代码稍微改进一下，统计方法调用多少次后会抛出StackOverflowError异常。改进后的代码：

public class ThreadDemo4 {

    private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
    public static void main(String[] args) {
        while (true) {
            method();
        }
    }

    private static void method() {
        System.out.println(count.addAndGet(1));
        method();
    }

}

多次执行结果均接近于10535，可以推导出：每个线程的栈的大小是固定的，每次方法调用时就会往栈里面存入东西，在无限递归的场景下，一直存一直存就出现了内存溢出的情况。

为了验证每个线程分配的的栈内存的大小是固定的，我们可以通过修改VM options -Xss参数，设置每个线程分配的的栈内存的大小为128k（注意这个值不能太小，否则虚拟机启动就会抛出异常）

将线程分配的的栈内存空间调小之后，再次执行上述代码，发现程序大概执行了970次左右就会抛出StackOverflowError异常，这样就确信栈的线程分配的的栈内存空间大小是一个固定值了。

有了这些铺垫，后面的内容才会思路清晰，就可以很好的解释什么是栈帧？虚拟机栈和栈帧又有什么关系呢？

2、什么是栈帧

虚拟机为什么会划分一块虚拟机栈内存呢？其实虚拟机栈的内存空间是给线程使用的，每个线程启动后，虚拟机为其分配一块栈内存空间；每个线程分配的虚拟机栈内存区域由多个栈帧（Frame）组成，栈帧对应着每个方法调用时所占用的内存（线程运行时，其实就是执行我们编写的源代码编译后的字节码嘛、说到底就是一个个的方法调用）；每个栈帧的由局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回值地址等组成。

虚拟机栈与栈帧的关系如下：

StackOverflowError异常原因如下：

每个线程分配的栈内存空间就好比一根用来串珠子的绳子，绳子的长度是固定的，并且只能从穿入的那一端出入，珠子就好比线程运行过程中需要执行的方法，珠子有大有小，就好比方法因为其局部变量等原因，内存大小不一。每当调用一个方法，就需要穿入一颗珠子，方法执行完毕，珠子就会取出来。而上述例子发生StackOverflowError异常的原因，就是方法一直在循环调用没有返回，导致线程的分配的栈内存达到上限抛出了StackOverflowError异常。

3、IDEA中如何DEBUG栈帧

IDEA是主流的Java代码编写工具，学会如何在IDEA中DEBUG栈帧，是一项必备的小技能。（其实我相信大部分人都会用，但是它们并不一定知道这就是栈帧）；简单的示例代码如下所示：

/**
 * @Author: Liziba
 */
public class FrameDemo {

    public static void main(String[] args) {
        method1(1);
    }

    private static void method1(int x) {
        Object o = method2();
        int y = x * x;
        System.out.println(y);
    }

    private static Object method2() {
        Object o = new Object();
        return o;
    }

}

在三个方法的如下所示位置分别加上断点，并且以DEBUG方式启动，使用F7步进（Step into）的方式进行DEBUG

初始执行的是main方法，main方法的参数是一String数组，参数名称为args，此时可以看到Variables变量表中有一个args={String[0]@483}，数组对象的大小为0，因为我们并未设置启动相关参数。

F7步进（Step into）进入method1，此时线程栈栈帧表Frames中有两个栈帧，method1的栈帧中有一个局部变量x，这个变量时从main方法中传递过来的。

F7步进（Step into）进入method2，此时线程栈栈帧表Frames中有三个栈帧，method2的栈帧中有一个局部变量o，这个局部变量时在method2中实例化的Object对象

F7步进（Step into）method2结束，此时Frames中只有method1和main方法两个栈帧，method2方法由于运行结束方法返回后，就会弹栈（出栈）。继续F7步进（Step into）到System.out.println(y);可以看到如下局部变量表，新增了o和y。

F7步进（Step into）method1结束，此时Frames中只有main方法一个栈帧，method1方法由于运行结束方法返回后，就会弹栈（出栈）。

F7步进（Step into）main结束，此时Frames中所有的栈帧都随着方法方法而弹栈（出栈）。整个程序随着主线程的运行结束而结束。

其实上述的过程就是DEBUG一个线程在虚拟机栈中分配的栈内存中栈帧的出入栈情况。当时大多数情况下，方法调用情况和内部逻辑会比上述情况复杂的多，并且会有多线程的场景，在多线程情况下需要将断点设置成Thread模式。右键单击断点，选择Thread -> Done即可。

多个线程进行DEBUG，则可以在启动的进程窗口下Threads中切换线程。

4、图解方法调用时栈帧变化

示例代码

/**
 * @Author: Liziba
 */
public class FrameDemo {

    public static void main(String[] args) {
        method1(1);
    }

    private static void method1(int x) {
        Object o = method2();
        int y = x * x;
        System.out.println(y);
    }

    private static Object method2() {
        Object o = new Object();
        return o;
    }

}

图解方法调用时栈帧的变化，涉及到JVM层面的知识点，其中包括方法区、堆、虚拟机栈、栈帧、程序计数器，其大致作用如下所示：

方法区

方法区是虚拟机中一块线程共享的内存区域，用于存储类信息、常量池、静态变量、编译后的字节码等信息。在我们这个例子中，JVM层面执行的是字节码指令，而这些指令就是存储在方法区中。

堆

堆是虚拟机中最大的一块线程共享的内存区域，堆是Java内存管理的核心区域，所有的对象实例和数组都在堆中分配内存。

虚拟机栈

虚拟机栈是线程私有的内存区域。虚拟机栈的内存空间是给线程使用的，每个线程启动后，虚拟机为其分配一块栈内存空间，虚拟机栈中存在多个栈帧。

栈帧

每个线程分配的虚拟机栈内存区域由多个栈帧（Frame）组成，栈帧对应着每个方法调用时所占用的内存；每个栈帧的由局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回值地址等组成。

程序计数器

程序计数器是一块内存很小的线程私有的内存空间，每个线程都有自己的程序计数器。任何时间一个线程都只有一个方法在执行，程序计数器会记录当前执行方法中的JVM指令地址，用于控制程序的正确执行。程序的分支、跳转、循环、异常以及线程切换都需要依靠程序计数器来完成。

第一步执行main函数：

public static void main(String[] args) {
    method1(1);
}

执行main函数，此时虚拟机栈中会为main线程分配一块栈内存供main线程运行（main线程栈），此时main线程栈中会压入一个main函数栈帧，main函数拥有一个String[] args局部变量，因此局部变量表中args指向一个堆中的String数组（局部变量表会在方法运行之前就创建完成，分配好内存）。

第二步method1函数准备工作：

private static void method1(int x) {
    Object o = method2();
    int y = x * x;
    System.out.println(y);
}

main函数中只有一句代码，调用了method1函数，此时程序计数器指向该方法（实际上指向的是JVM字节码指令的地址），并且此时main线程栈中会压入一个method1函数栈帧，method1函数中有三个局部变量，分别是x、o、y，此时只有x的值由方法传递已知，因此x=1；除此之外method1栈帧的返回地址指向方法区中method1

第三步method2函数准备工作：

private static Object method2() {
    Object o = new Object();
    return o;
}

method1栈帧创建完成之后，程序计数器会依次指向method1函数中的字节码指令，此时局部变量表中的局部变量将会被赋值，执行到method1中的第一行代码的字节码指令时，调用了method2函数，此是main线程栈中会压入一个method2函数栈帧

第四步执行method2函数中字节码指令：

method2函数中只有一句代码，在堆内存中创建了一个Object对象，并且将对象地址赋值给o引用（这句代码在在程序计数器中应该是三条字节码指令，演示为源代码看起来更加方便）

第四步执行method1函数中字节码指令：

method2执行结束后，main线程栈中method2栈帧会弹出，此时method1局部变量表中的局部变量o接收method2栈帧中返回地址指向的返回值

紧接着执行int y = x * x，此时method1栈帧中局部变量表y被赋值为1，最后执行System.out.println(y)不在演示。

method1函数中字节码执行结束后，method1栈帧弹出，最后main函数中字节码执行结束，main线程栈中栈帧全部弹出，整个main线程执行结束，Java进程终止。

看到这里了要个三连不过分吧！您轻而易举的三连，是对我最大的鼓励和帮助。