再谈方法调用与堆栈

在JVM里面，最重要的两个运行时数据区，无非就是堆和栈了。

关于堆

堆内存是被多个线程共享的，而栈内存是线程私有的。堆主要用来存储运行时所有的对象数据和各种数组，简单点说通过new创建的实例，都会在堆上分配空间。堆在虚拟机启动时创建，并且堆具有自动垃圾回收的功能，在Java的世界里，程序员是没办法直接销毁你所创建的对象的，一切必须由GC垃圾回收器来完成，也就是你用完后的对象，并不是立即销毁的，而是在下一次gc发生时来完成回收的，堆的内存可以是固定的，也可以动态增长，并且不要求在内存里面是必须连续的，如果计算需要更多的内存，超过了当前有效的内存，那么就会抛出OutOfMemoryError异常。

堆里面还分配了一部分内存用于：

（1）方法区：

主要用来存储我们编译后的代码，包括每个类的结构，字段，方法数据，常量池等，如果内存不足也会发生OutOfMemoryError异常。

（2）运行时常量池

这个其实是方法区里面划分的一个区域，主要用来存储每个类或者接口里面的常量池表，包括我们熟悉的字符串常量池等。如果内存不足也会发生OutOfMemoryError异常

（3）本地的方法栈

为了支持native方法而存在的一部分区域，本地方法栈与虚拟机栈一样，也是线程私有的，发生的异常包括StackOverflowError和OutOfMemoryError。

关于栈

栈主要分虚拟机栈和本地方法栈，我们这里仅仅关注虚拟机栈。

我们先来看下Oracle文档的官网解释：

Each Java Virtual Machine thread has a private Java Virtual Machine stack, created at the same time as the thread. A Java Virtual Machine stack stores frames (§2.6). A Java Virtual Machine stack is analogous to the stack of a conventional language such as C: it holds local variables and partial results, and plays a part in method invocation and return. Because the Java Virtual Machine stack is never manipulated directly except to push and pop frames, frames may be heap allocated. The memory for a Java Virtual Machine stack does not need to be contiguous.

简单的说，栈属于线程私有的，每一个线程都有一个自己的栈，栈里面可以存储数据，这个待会细说。此外还负责方法的调用和返回，java的栈仅仅负责 压栈和出栈，栈内存本身是可以从堆上分配出来的，并且栈内存可以是不连续的。如果线程计算需要一个更大的栈超过了允许的值，就会抛出StackOverflowError异常，如果栈内存还允许动态增加，那么当下一次申请的内存，不满足当前的需要，就会抛出OutOfMemoryError异常。

前面说过栈可以存储数据，这其实是在栈帧（frame）里面完成的，主要存储local变量，也执行动态链接，给方法返回值，还负责分发异常。栈帧与方法与一对一的关系，也就是说，每次虚拟机调用一个方法时，就会生成一个frame，无论是否发生异常，当方法调用完成后总是销毁，正在执行的方法，其frame称为当前栈帧，当前栈帧执行完成会后，就会抛弃，然后继续调用下一个方法的栈帧，此时该栈帧就会变成当前栈帧，直到所有的栈帧执行完毕，程序才运行结束。对一个类的一个方法，在调用时对应一个栈帧，栈帧包含三部分内容：

（1）方法本身的local变量数组

单个local变量的值类型，包括boolean, byte, char, short, int, float, reference, 和 returnAddress，两个local变量可以存储long和double类型的值，注意这些都是定长类型，也就是说在方法里面声明上面提到的类型，其存储可以直接在栈上，但同样的类型如果是成员变量，那么存储就在堆上，这一点需要注意，另外栈上存储的是定长，像字符串（底层是char数组），各种对象实例，数据本身都是存储在堆上，栈里面仅仅存储 指针，也叫内存地址。

（2）方法里面的操作符栈

每个栈帧里面还包含一个后进先出的操作符栈（operand stack），这个主要是进行一些算术运算操作的，比如遇到的加减乘除等操作符等。

（3）当前方法运行时常量池的的引用

这里面主要是一些运行时常量池的引用，用于支持方法代码的动态链接。动态链接主要转变符号链接为真实的链接。

说了这么多，我们总结一下栈的特点：

首先是线程私有的，不同的线程拥有不同的栈，栈里面的数据，相互之前是不可见的。栈里面可以直接存储基本类型的数据，此外包括指针的内存地址，及方法的返回值，这些数据的内存分配都是在栈上，这也是我们为什么说方法里面的local变量是线程安全的原因，因为是线程私有，不涉及多线程的问题。栈里面包含了很多帧，在程序运行时的每个方法，都会生成一个帧入栈，执行的过程就是出栈的过程。如果栈里面引用了成员变量或者其他共享的变量，这个时候需要注意线程安全问题，因为这些变量是存储在堆上的。

最后我们来看下，堆和栈的图示：

一个分析的例子

下面，我们通过一个例子，来简单看下，方法在栈里面是如何执行的：

public class StackCallDemo {


    static class Cat{
        public String name;
    }

    public void m1(){
        int x=20;
        m2(x);// call m2 method
    }


    public void m2(int x){
        boolean c;
        m3();//call m3 method
    }


    public void m3(){
        Cat cat=new Cat();
        //more code
    }


    public static void main(String[] args) {


        StackCallDemo stackDemo=new StackCallDemo();
        stackDemo.m1();

    }


}

这个类代码非常简单，方法执行逻辑 main=> m1=> m2=> m3，注意这是调用顺序，也是入栈顺序，出栈顺序，也就是真正的执行顺序，刚好相反，图示如下：

注意每个出栈执行完的方法，就相当于销毁了，在堆里面的Cat对象，如果方法不再引用，那么就再次gc时，会被回收掉。通过上图，我们可以清晰的看到嵌套方法执行过程，想清楚这一点，我们再去理解递归方法就容易多了，如果你按照嵌套的方式，去思考递归，那肯定理解不了，但是我们按照栈的逻辑，去理解递归，就会发现容易多了，这里没有嵌套，只有顺序入栈，出栈，分别对应递和归。

总结：

本文主要介绍了Java里面堆和栈在运行时的数据区域和功能，并在文末结合了一个例子来演示了Java程序方法是如何执行的，了解方法的执行逻辑，有助于我们理解其工作原理，从而可以让我们更好的去分析一些复杂的方法逻辑或者算法，比如递归等。