jvm-stack-and-heap

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java

JVM

java 程式碼在運作時, 會透過 compiler 將可讀的程式碼編譯為 *.class 的檔案, 而這個檔案會透過
Java Virtual Machine (JVM) 將其轉為 byte code, 讓作業系統執行運作, 這邊就暫時這樣粗略地解釋吧。

在 JVM 裏面, 會把 java 的資料類型分為 primitive 與 reference, 這樣設計是考量 JVM 在運行之前希望由 compiler 先將所有資料進行檢查。

Primitive type

primitive 類型支持如, byte (8bits), short(16bits), int(32bits), long(64bits), char(16bits)。

Reference type

而 reference 類型有, class, array, interface, 他們的默認值為 null。

JVM Stack

JVM stacks 會隨著 JVM 的 thread 建立而跟著建立, 而 threads 的 stack 是 private 的, 也就是不能與其他 thread 共用, stack 用來存放的東西叫做 frames（具體來說我並沒有很了解 frames）, 但在 IntelliJ debug 模式中可以確實觀察得到。
jvm-thread-and-frame-1

jvm-thread-and-frame-2

Stack 在資料結構的定義是一種後進先出的資料結構(LIFO), 如果有在刷 leetcode 的話這是一個很方便用於資料反轉 (Reverse) 的資料結構 XD。從圖中可以看出每一層 stack 的 methods
invoke (呼叫), 所以當程式拋出 exceptions 可以透過 e.printStackTrace() 來取得當前 thread 使用 stacks 所有過程。

try {
  // do something   
} catch (Exception e) {
  // 輸出 exception 所記錄的 stack trace
  e.printStackTrace();
}

stack 的大小

在 oracle 所定義的 jvm 規範中, 允許 stack 動態的增加擴充, 但也允許讓開發者去設定 jvm 的 stack 大小, 可以使用 java -Xss1M 這樣的設定去啟動 JVM, 宣告 stack 大小為 1Mb 空間。

java -Xss:1m myApp

jvm-thread-and-frame-2

當 stack 超過 threads 的最大 stack 限制時, 會拋出 StackOverflowError, 比如說無限遞迴。
當 jvm 要擴增 stack 空間時, 但沒有足夠的記憶體可以拿來擴展 stack 與 thread 時, 會拋出 OutOfMemoryError。

JVM Heap

JVM Heap 是在 JVM 啟動時建立的, 但是屬於 Threads 共用的, 主要用來存放 class, array 類型, 由 GC 機制做回收, heap 跟 stack 一樣, 也是可以由開發者去定義大小。為了有最佳的效能, 官方頁面設定是說建議 Xms 與 Xmx 可設定相同的大小, 若沒有特別指定的話, 預設會使用系統的 25% 實體記憶體做設定, 另外 server mode 與 client
mode 也會有所差異。

java -Xms:64m -Xmx:256m myApp

jvm-heap-xms-setting

Java Visualizer

若想要更進一步學習 stack 與 heap 的運作的話, 在 intelliJ 的環境下可以安裝 java-visualizer, 透過 debug 的 step over 就能確實觀察到 stack 與 heap 的運作了。

jvm-visualizer

JVM