再談方法呼叫與堆和棧

在JVM裡面，最重要的兩個執行時資料區，無非就是堆和棧了。

關於堆

堆記憶體是被多個執行緒共享的，而棧記憶體是執行緒私有的。堆主要用來儲存執行時所有的物件資料和各種陣列，簡單點說通過new建立的例項，都會在堆上分配空間。堆在虛擬機器啟動時建立，並且堆具有自動垃圾回收的功能，在Java的世界裡，程式設計師是沒辦法直接銷燬你所建立的物件的，一切必須由GC垃圾回收器來完成，也就是你用完後的物件，並不是立即銷燬的，而是在下一次gc發生時來完成回收的，堆的記憶體可以是固定的，也可以動態增長，並且不要求在記憶體裡面是必須連續的，如果計算需要更多的記憶體，超過了當前有效的記憶體，那麼就會丟擲OutOfMemoryError異常。

堆裡面還分配了一部分記憶體用於：

（1）方法區：

主要用來儲存我們編譯後的程式碼，包括每個類的結構，欄位，方法資料，常量池等，如果記憶體不足也會發生OutOfMemoryError異常。

（2）執行時常量池

這個其實是方法區裡面劃分的一個區域，主要用來儲存每個類或者接口裡面的常量池表，包括我們熟悉的字串常量池等。如果記憶體不足也會發生OutOfMemoryError異常

（3）本地的方法棧

為了支援native方法而存在的一部分割槽域，本地方法棧與虛擬機器棧一樣，也是執行緒私有的，發生的異常包括StackOverflowError和OutOfMemoryError。

關於棧

棧主要分虛擬機器棧和本地方法棧，我們這裡僅僅關注虛擬機器棧。

我們先來看下Oracle文件的官網解釋：

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.

簡單的說，棧屬於執行緒私有的，每一個執行緒都有一個自己的棧，棧裡面可以儲存資料，這個待會細說。此外還負責方法的呼叫和返回，java的棧僅僅負責 壓棧和出棧，棧記憶體本身是可以從堆上分配出來的，並且棧記憶體可以是不連續的。如果執行緒計算需要一個更大的棧超過了允許的值，就會丟擲StackOverflowError異常，如果棧記憶體還允許動態增加，那麼當下一次申請的記憶體，不滿足當前的需要，就會丟擲OutOfMemoryError異常。

前面說過棧可以儲存資料，這其實是在棧幀（frame）裡面完成的，主要儲存local變數，也執行動態連結，給方法返回值，還負責分發異常。棧幀與方法與一對一的關係，也就是說，每次虛擬機器呼叫一個方法時，就會生成一個frame，無論是否發生異常，當方法呼叫完成後總是銷燬，正在執行的方法，其frame稱為當前棧幀，當前棧幀執行完成會後，就會拋棄，然後繼續呼叫下一個方法的棧幀，此時該棧幀就會變成當前棧幀，直到所有的棧幀執行完畢，程式才執行結束。對一個類的一個方法，在呼叫時對應一個棧幀，棧幀包含三部分內容：

（1）方法本身的local變數陣列

單個local變數的值型別，包括boolean, byte, char, short, int, float, reference, 和 returnAddress，兩個local變數可以儲存long和double型別的值，注意這些都是定長型別，也就是說在方法裡面宣告上面提到的型別，其儲存可以直接在棧上，但同樣的型別如果是成員變數，那麼儲存就在堆上，這一點需要注意，另外棧上儲存的是定長，像字串（底層是char陣列），各種物件例項，資料本身都是儲存在堆上，棧裡面僅僅儲存 指標，也叫記憶體地址。

（2）方法裡面的操作符棧

每個棧幀裡面還包含一個後進先出的操作符棧（operand stack），這個主要是進行一些算術運算操作的，比如遇到的加減乘除等操作符等。

（3）當前方法執行時常量池的的引用

這裡面主要是一些執行時常量池的引用，用於支援方法程式碼的動態連結。動態連結主要轉變符號連結為真實的連結。

說了這麼多，我們總結一下棧的特點：

首先是執行緒私有的，不同的執行緒擁有不同的棧，棧裡面的資料，相互之前是不可見的。棧裡面可以直接儲存基本型別的資料，此外包括指標的記憶體地址，及方法的返回值，這些資料的記憶體分配都是在棧上，這也是我們為什麼說方法裡面的local變數是執行緒安全的原因，因為是執行緒私有，不涉及多執行緒的問題。棧裡面包含了很多幀，在程式執行時的每個方法，都會生成一個幀入棧，執行的過程就是出棧的過程。如果棧裡面引用了成員變數或者其他共享的變數，這個時候需要注意執行緒安全問題，因為這些變數是儲存在堆上的。

最後我們來看下，堆和棧的圖示：

一個分析的例子

下面，我們通過一個例子，來簡單看下，方法在棧裡面是如何執行的：

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();

    }


}

這個類程式碼非常簡單，方法執行邏輯 main=> m1=> m2=> m3，注意這是呼叫順序，也是入棧順序，出棧順序，也就是真正的執行順序，剛好相反，圖示如下：

注意每個出棧執行完的方法，就相當於銷燬了，在堆裡面的Cat物件，如果方法不再引用，那麼就再次gc時，會被回收掉。通過上圖，我們可以清晰的看到巢狀方法執行過程，想清楚這一點，我們再去理解遞迴方法就容易多了，如果你按照巢狀的方式，去思考遞迴，那肯定理解不了，但是我們按照棧的邏輯，去理解遞迴，就會發現容易多了，這裡沒有巢狀，只有順序入棧，出棧，分別對應遞和歸。

總結：

本文主要介紹了Java裡面堆和棧在執行時的資料區域和功能，並在文末結合了一個例子來演示了Java程式方法是如何執行的，瞭解方法的執行邏輯，有助於我們理解其工作原理，從而可以讓我們更好的去分析一些複雜的方法邏輯或者演算法，比如遞迴等。