本文是何适 JVM 修仙系列第 3 篇，文末有本系列文章汇总。
上一篇介绍 Java 虚拟机结构时讲到 Java 栈同 Java 方法的调用密切相关，那么这篇就来探究下 Java 栈到底和方法的调用有什么关系。Java 栈分如下几部分介绍：
- 栈帧
- 局部变量表
- 操作数栈
- 帧数据
1. 栈帧
线程被创建的时候 Java 栈被创建，Java 栈中保存着栈帧。线程中方法被调用时，对应着一个栈帧被压入 Java 栈；方法返回时，对应的栈帧从 Java 栈中弹出；方法中抛出异常时，对应的栈帧也会将栈帧弹出。
举例说明：方法 1 中调用方法 2，方法 2 中调用方法 3，方法 3 中调用方法 4，当执行到方法 4 时，栈内存结构如下图：
举例模拟栈溢出：
因为每次方法调用都会生成一个栈帧，当函数调用数量很大，生成的栈帧内存超过 Java 栈总内存时，就会栈溢出 StackOverflowError。
-Xss参数指定最大栈内存，也就是函数调用的最大深度。
以下代码用递归调用来模拟这种情况：
public class StackTest {
public static int count = 0;
public static void test() {
count++;
test();
}
public static void main(String[] args) {
try {
test();
} catch (Throwable e) {// 使用Throwable捕获，StackOverflowError是Error，不是Exception
System.out.println("调用深度count=" + count);
e.printStackTrace();
}
}
}设置参数-Xss128K 执行以上代码，结果如下：
调用深度count=1088 java.lang.StackOverflowError at test.test1.StackTest.test(StackTest.java:6) at test.test1.StackTest.test(StackTest.java:7) at test.test1.StackTest.test(StackTest.java:7) at test.test1.StackTest.test(StackTest.java:7) ···
在 test()方法执行了 1088 次之后，栈溢出。你可以尝试调整-Xss 参数查看不同的结果，我将-Xss 参数改为 256K 之后，可以执行 2736 次。
栈帧中包含局部变量表、操作数栈、帧数据。
2. 局部变量表
局部变量表用于保存函数参数和局部变量。
局部变量表中的变量只有在当前函数调用中有效，当函数调用结束后，栈帧销毁，局部变量表也就销毁了。
局部变量数量多，会使得栈帧更占内存，导致函数嵌套调用次数减少。局部变量表中的槽位是可以重用的，从而节省内存。如果一个局部变量过了作用域，那么它的槽位就可以被其他局部变量复用。
举例：局部变量占用栈内存
上文中的 test()方法没有局部变量，可以执行 2736 次。现在 test()方法中加入 10 个局部变量，同样 256K 的栈内存，可以递归 905 次 test()方法。
public class StackTest {
public static int count = 0;
public static void test() {
long a=1,b=2,c=3,d=4,e=5,f=6,g=7,h=8,i=9,j=10;
count++;
test();
}
public static void main(String[] args) {
try {
test();
} catch (Throwable e) {// 使用Throwable捕获，StackOverflowError是Error，不是Exception
System.out.println("调用深度count=" + count);
e.printStackTrace();
}
}
}执行结果如下：
调用深度count=905 java.lang.StackOverflowError at test.test1.StackTest.test(StackTest.java:6) at test.test1.StackTest.test(StackTest.java:8) at test.test1.StackTest.test(StackTest.java:8) ...
2.2 局部变量对垃圾回收的影响
你可以先不看注释，自己分析下局部变量会不会被回收，然后核对下注释。
栈帧中的局部变量槽位是可以复用的。如果局部变量 a 过了作用域，那么之后声明的局部变量 b 就可以复用 a 的槽位。
public class LocalVarGCTest {
public static void main(String[] args) {
localVarGC5();
}
/**
* 数组被a引用，不能被回收
* [GC (System.gc()) 12206K->10968K(123904K), 0.0046455 secs]
*/
public static void localVarGC1() {
byte[] a = new byte[10 * 1024 * 1024];
System.gc();
}
/**
* 数组没有引用，可以被回收
* [GC (System.gc()) 12206K->704K(123904K), 0.0007060 secs]
*/
public static void localVarGC2() {
byte[] a = new byte[10 * 1024 * 1024];
a = null;
System.gc();
}
/**
* 虽然a变量已经失效，但是因为方法还没结束，
* a变量依然存在于局部变量表中，并指向数组，所以byte数组不能被回收
* [GC (System.gc()) 12206K->11000K(123904K), 0.0044869 secs]
*/
public static void localVarGC3() {
{
byte[] a = new byte[10 * 1024 * 1024];
}
System.gc();
}
/**
* a变量失效，c变量复用了a的槽位，使得byte数组的引用失效，所以byte数组会被回收
* [GC (System.gc()) 12206K->744K(123904K), 0.0008775 secs]
*/
public static void localVarGC4() {
{
byte[] a = new byte[10 * 1024 * 1024];
}
int c = 10;
System.gc();
}
/**
* localVarGC1()方法中byte数组没有被回收
* localVarGC1()执行完后，localVarGC1()的栈帧被销毁，byte数组也就没有了引用
* localVarGC5()GC时可以将byte数组回收
*
* [GC (System.gc()) 12206K->10896K(123904K), 0.0041066 secs]
* [Full GC (System.gc()) 10780K->540K(123904K), 0.0029822 secs]
*/
public static void localVarGC5() {
localVarGC1();
System.gc();
}
}3 操作数栈
操作数栈用于保存计算过程的中间结果，作为计算过程中变量临时的存储空间。
4 帧数据
帧数据区用于支持常量池解析、方法返回和异常处理。
常量池解析：帧数据区保存着访问常量池的指针，当 JVM 执行到需要常量池数据的指令时，它都会通过帧数据区中指向常量池的指针来访问它。
方法返回：如果是通过 return 正常结束，则当前栈帧从 Java 栈中弹出，恢复发起调用的方法的栈。如果方法有返回值，JVM 会把返回值压入到发起调用方法的操作数栈。
异常处理：帧数据区保存着一个异常处理表，遇到异常就会查找异常处理表来处理，如果异常处理表中没有找到处理方法，则结束当前函数调用，抛出异常。
举例：异常处理表（Exception table）
from | to | target | type |
|---|---|---|---|
4 | 16 | 19 | any |
19 | 21 | 19 | any |
表示在字节码偏移量 4-16 字节可能抛出任意异常，如果遇到异常，则跳转到字节码偏移量 19 处执行。
5. 总结
参考资料
- 《深入理解 Java 虚拟机（第 2 版） : JVM 高级特性与最佳实践》
- 《实战 Java 虚拟机 : JVM 故障诊断与性能优化》
JVM 系列文章汇总
【原创】JVM 系列 01 | 开篇 【原创】JVM 系列 02 | Java 虚拟机结构
