【JVM调优实战100例】02——虚拟机栈与本地方法栈调优五例

前 言
作者简介：半旧518，长跑型选手，立志坚持写10年博客，专注于java后端
专栏简介：实战案例驱动介绍JVM知识，教你用JVM排除故障、评估代码、优化性能
文章简介：介绍虚拟机栈与本地方法栈、教你排查5个常见的JVM虚拟机栈案例实战

3.虚拟机栈

3.1 虚拟机栈的介绍

栈：线程运行时需要的内存空间，一个栈中包含多个栈帧，栈帧是每个方法运行时需要的内存，一次方法调用就是一个栈帧。栈帧主要是用来存储局部变量，参数与返回地址(结束该方法后执行方法的地址)的。调用一个方法时，方法的栈帧入栈，当该方法执行结束，对应的栈帧(Frame)就会出栈。另外每个线程只能有一个活动栈帧，来对应当前正在执行的方法。

使用idea可以调试获取虚拟机栈信息。左下角的Frames就对应虚拟机栈。

思考

Q1:垃圾回收是否涉及栈内存

A1:垃圾回收不会涉及栈内存，因为栈的栈帧会随着方法调用而入栈，随着方法结束而出栈，无需进行垃圾回收。

Q2:栈内存越大越好吗？

A2:栈的大小可以进行设置。

线程栈越大则可以进行嵌套调用的方法层级越多，但是需要在合理区间，不是越大越好。因为计算机的物理内存是有限的，线程中栈的大小设置的越大，可以容纳的线程数就会越少(每个线程都有自己的栈)。一般采用系统默认的栈内存大小即可。

下图展示了设置栈大小的方法。

3.2 方法局部变量线程安全问题

局部变量是方法栈的私有变量，那么方法内的局部变量是不是一定是线程安全的呢？

先看这个例子。

// 多个线程同时执行
static void m1() {
    
        int x = 0;
        for (int j = 0; j < 500; j++) {
    
            x++;
        }
}

上面的例子是不会有线程安全问题的。因为每个线程都有独立的栈帧，存储独立的x。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-0p3I5ZHq-1656678163013)(F:/%E5%8D%9A%E5%AE%A2%E5%9B%BE%E7%89%87/jvm/2.png)]

再看看下面的例子。

 static void m2() {
    
     StringBuilder sb = new StringBuilder();
     sb.append("a");
     sb.append("b");
     sb.append("c");

}

答案依旧不会有安全问题，理由与上面的例子一样。接着看下下面的例子。

 static void m3(StringBuilder sb ) {
    
        sb = new StringBuilder();
        sb.append("a");
        sb.append("b");
        sb.append("c");

}

上面例子其实是线程不安全的。因为sb 不是线程私有的。

总结：方法内的局部变量是否是线程安全？

• 如果方法内的局部变量没有逃离方法的作用范围，则是安全的。
• 如果是基本数据类型，则是安全的。
• 如果是对象类型数据，并且逃离了方法的作用范围，则线程不安全。参考代码demo1，不同线程栈的变量中存放的地址不会彼此干扰，但同一地址的值可以被不同的线程所修改。

3.3 虚拟机栈的内存溢出问题

导致栈内存溢出的情况：

• 入栈栈帧过多，如方法递归次数过多。
• 栈帧过大，这种情况很少出现，因为默认的栈帧大小是1M，可以存放空间很充足。

下面就是一个栈内存溢出的例子。

public class Demo02 {
    
    private static int count;

    public static void main(String[] args) {
    
        m1();
    }

    static void m1() {
    
        count ++;
        m1();
    }
}

值得注意的是，有时候并不是我们自己写的代码导致了栈的内存溢出问题，而是错误使用第三方库的代码时导致了内存溢出问题。

/** * json 数据转换 */
public class Demo03 {
    

    public static void main(String[] args) throws JsonProcessingException {
    
        Dept d = new Dept();
        d.setName("Market");

        Emp e1 = new Emp();
        e1.setName("zhang");
        e1.setDept(d);

        Emp e2 = new Emp();
        e2.setName("li");
        e2.setDept(d);

        d.setEmps(Arrays.asList(e1, e2));

        // { name: 'Market', emps: [{ name:'zhang', dept:{ name:'', emps: [ {}]} },] }
        ObjectMapper mapper = new ObjectMapper();
        System.out.println(mapper.writeValueAsString(d));
    }
}

class Emp {
    
    private String name;
    @JsonIgnore
    private Dept dept;

    public String getName() {
    
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
    
        this.name = name;
    }

    public Dept getDept() {
    
        return dept;
    }

    public void setDept(Dept dept) {
    
        this.dept = dept;
    }
}
class Dept {
    
    private String name;
    private List<Emp> emps;

    public String getName() {
    
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
    
        this.name = name;
    }

    public List<Emp> getEmps() {
    
        return emps;
    }

    public void setEmps(List<Emp> emps) {
    
        this.emps = emps;
    }
}

出现Infinite recursion (StackOverflowError)

解决方法:添加@JsonIgnore注解。

class Emp {
    
    private String name;
    @JsonIgnore
    private Dept dept;

    public String getName() {
    
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
    
        this.name = name;
    }

    public Dept getDept() {
    
        return dept;
    }

    public void setDept(Dept dept) {
    
        this.dept = dept;
    }
}

3.4 虚拟机栈的cpu占用问题

下面分析两个栈相关的案例。

编译运行下面代码。

/** * 演示 cpu 占用过高 */
public class Demo04 {
    

    public static void main(String[] args) {
    
        new Thread(null, () -> {
    
            System.out.println("1...");
            while(true) {
    

            }
        }, "thread1").start();


        new Thread(null, () -> {
    
            System.out.println("2...");
            try {
    
                Thread.sleep(1000000L);
            } catch (InterruptedException e) {
    
                e.printStackTrace();
            }
        }, "thread2").start();

        new Thread(null, () -> {
    
            System.out.println("3...");
            try {
    
                Thread.sleep(1000000L);
            } catch (InterruptedException e) {
    
                e.printStackTrace();
            }
        }, "thread3").start();
    }
}

linux下使用nohub让进程在后台运行，将直接返回线程id。

nohub java Demo04 &

使用top来显示cpu被进程占用的情况（笔者环境是windows，直接用的任务管理器，后不再赘述）。

定位到占用过高cpu的进程后，使用ps H -eo pid tid %cpu | grep xxx(进程id)来查看具体是哪个线程导致的问题。

最后使用jstack xxx(进程id)查看进程所有线程对应的id及引起问题的源码行数。注意使用第二步得到线程编号是十进制，而jstack中的线程编号是16进制，需要进行必要的进制换算。

32655换算成16进制就是7f99,因此有问题的线程就是下面的线程。其线程状态是runnable，说明它一直在运行，占用了cpu。并且还可以根据堆栈信息定位到具体的代码行数。

对应到源代码,我们就排查出了导致cpu占用过高的原因了。

 while(true) {
    

 }

3.5 线程死锁的排查

编写如下代码。

/** * 演示线程死锁 */
class A{
    };
class B{
    };
public class Demo05 {
    
    static A a = new A();
    static B b = new B();


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    
        new Thread(()->{
    
            synchronized (a) {
    
                try {
    
                    Thread.sleep(2000);
                } catch (InterruptedException e) {
    
                    e.printStackTrace();
                }
                synchronized (b) {
    
                    System.out.println("我获得了 a 和 b");
                }
            }
        }).start();
        Thread.sleep(1000);
        new Thread(()->{
    
            synchronized (b) {
    
                synchronized (a) {
    
                    System.out.println("我获得了 a 和 b");
                }
            }
        }).start();
    }

}

linux下使用nohub让进程在后台运行，将直接返回线程id。

windows上可以直接使用java运行，在任务管理器中找到该进程，可以看到进行id是15288。(linux环境有很多开发命令，笔者环境是windows，结合了git batsh使用linux的部分命令，后不再赘述)

执行jsatck命令,可以看到如下输出

F:\资料 解密JVM\代码\jvm\src\cn\itcast\jvm\t1\stack>jstack 15288
2022-06-30 20:30:08
Full thread dump Java HotSpot(TM) Client VM (25.301-b09 mixed mode):

...

Found one Java-level deadlock:
=============================
"Thread-1":
  waiting to lock monitor 0x01199894 (object 0x04e9fb40, a A),
  which is held by "Thread-0"
"Thread-0":
  waiting to lock monitor 0x0119c1b4 (object 0x04ea0c28, a B),
  which is held by "Thread-1"

Java stack information for the threads listed above:
===================================================
"Thread-1":
        at Demo05.lambda$main$1(Demo05.java:28)
        - waiting to lock <0x04e9fb40> (a A)
        - locked <0x04ea0c28> (a B)
        at Demo05$$Lambda$2/1503869.run(Unknown Source)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
"Thread-0":
        at Demo05.lambda$main$0(Demo05.java:20)
        - waiting to lock <0x04ea0c28> (a B)
        - locked <0x04e9fb40> (a A)
        at Demo05$$Lambda$1/28568555.run(Unknown Source)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

Found 1 deadlock.

可以很清楚看到死锁信息被定位了，在Demo05.java:28,20行出现了死锁。再去代码处分析，发现线程1，2出现了互锁。并且这个互酸信息其实也被打印出来了，Thread-1，拥有B等待A，Thread-2，拥有A等待B。

5.本地方法栈

本地方法是非java语言(c/c++)编写的直接与计算机操作系统底层API交互的方法，java虚拟机在调用本地方法时，通过本地方法栈给本地方法提供内存空间。