为什么导致 StackOverflowError 的递归方法的调用计数在程序运行之间会有所不同？

stack java recursion stack-overflow

2022-09-01 07:46:23

用于演示目的的简单类：

public class Main {

    private static int counter = 0;

    public static void main(String[] args) {
        try {
            f();
        } catch (StackOverflowError e) {
            System.out.println(counter);
        }
    }

    private static void f() {
        counter++;
        f();
    }
}

我执行了上述程序5次，结果是：

为什么每次的结果都不同？

我尝试设置最大堆栈大小（例如）。结果随后更加一致，但每次都不相等。-Xss256k

Java 版本：

java version "1.8.0_72"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_72-b15)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.72-b15, mixed mode)

编辑

当 JIT 被禁用时（）我总是得到相同的数字（）。-Djava.compiler=NONE11907

这是有道理的，因为JIT优化可能会影响堆栈帧的大小，并且JIT完成的工作肯定必须在执行之间有所不同。

尽管如此，我认为如果通过引用有关该主题的一些文档和/或JIT在此特定示例中所做的工作的具体示例来证实这一理论，从而导致帧大小变化，那将是有益的。

答案 1

观察到的方差是由后台 JIT 编译引起的。

该过程如下所示：

方法在解释器中开始执行。f()
经过多次调用（大约250次）后，该方法被安排进行编译。
编译器线程与应用程序线程并行工作。同时，该方法继续在解释器中执行。
编译器线程完成编译后，方法入口点将被替换，因此下一次调用将调用该方法的已编译版本。f()

应用线程和JIT编译器线程之间基本上存在竞争。解释器可以在方法的编译版本准备就绪之前执行不同数量的调用。最后是解释和编译的帧的混合。

难怪编译的框架布局与解释的框架布局不同。编译的帧通常较小;它们不需要将所有执行上下文存储在堆栈上（方法引用，常量池引用，探查器数据，所有参数，表达式变量等）。

此外，分层编译（自JDK 8起默认）有更多的比赛可能性。可以有 3 种类型的帧的组合：解释器、C1 和 C2（见下文）。

让我们做一些有趣的实验来支持这个理论。

纯解释模式。无 JIT 编译。
没有比赛=>稳定的结果。
```
$ java -Xint Main
11895
11895
11895
```
禁用后台编译。JIT 已打开，但与应用程序线程同步。
不再比赛，但由于编译的帧，呼叫数量现在更高。
```
$ java -XX:-BackgroundCompilation Main
23462
23462
23462
```
在执行之前用C1编译所有内容。与以前的情况不同，堆栈上不会有解释的帧，因此该数字会高一些。
```
$ java -Xcomp -XX:TieredStopAtLevel=1 Main
23720
23720
23720
```

现在，在执行之前使用 C2 编译所有内容。这将以最小的帧生成最优化的代码。呼叫数将最高。

$ java -Xcomp -XX:-TieredCompilation Main
59300
59300
59300

由于默认堆栈大小为 1M，这应该意味着帧现在只有 16 个字节长。是吗？

$ java -Xcomp -XX:-TieredCompilation -XX:CompileCommand=print,Main.f Main

  0x00000000025ab460: mov    %eax,-0x6000(%rsp)    ; StackOverflow check
  0x00000000025ab467: push   %rbp                  ; frame link
  0x00000000025ab468: sub    $0x10,%rsp            
  0x00000000025ab46c: movabs $0xd7726ef0,%r10      ; r10 = Main.class
  0x00000000025ab476: addl   $0x2,0x68(%r10)       ; Main.counter += 2
  0x00000000025ab47b: callq  0x00000000023c6620    ; invokestatic f()
  0x00000000025ab480: add    $0x10,%rsp
  0x00000000025ab484: pop    %rbp                  ; pop frame
  0x00000000025ab485: test   %eax,-0x23bb48b(%rip) ; safepoint poll
  0x00000000025ab48b: retq

实际上，这里的帧是 32 个字节，但 JIT 已经内联了一个递归级别。

最后，让我们看一下混合堆栈跟踪。为了获得它，我们将在StackOverflowError上崩溃JVM（调试版本中可用的选项）。

$ java -XX:AbortVMOnException=java.lang.StackOverflowError Main

故障转储包含详细的堆栈跟踪，我们可以在底部找到解释的帧，在中间找到C1帧，最后在顶部找到C2帧。hs_err_pid.log

Java frames: (J=compiled Java code, j=interpreted, Vv=VM code)
J 164 C2 Main.f()V (12 bytes) @ 0x00007f21251a5958 [0x00007f21251a5900+0x0000000000000058]
J 164 C2 Main.f()V (12 bytes) @ 0x00007f21251a5920 [0x00007f21251a5900+0x0000000000000020]
  // ... repeated 19787 times ...
J 164 C2 Main.f()V (12 bytes) @ 0x00007f21251a5920 [0x00007f21251a5900+0x0000000000000020]
J 163 C1 Main.f()V (12 bytes) @ 0x00007f211dca50ec [0x00007f211dca5040+0x00000000000000ac]
J 163 C1 Main.f()V (12 bytes) @ 0x00007f211dca50ec [0x00007f211dca5040+0x00000000000000ac]
  // ... repeated 1866 times ...
J 163 C1 Main.f()V (12 bytes) @ 0x00007f211dca50ec [0x00007f211dca5040+0x00000000000000ac]
j  Main.f()V+8
j  Main.f()V+8
  // ... repeated 1839 times ...
j  Main.f()V+8
j  Main.main([Ljava/lang/String;)V+0
v  ~StubRoutines::call_stub

答案 2

首先，以下内容尚未得到研究。我没有“深入研究”OpenJDK源代码来验证以下任何一项，我也无法获得任何内部知识。

我尝试通过在我的计算机上运行测试来验证您的结果：

$ java -version
openjdk version "1.8.0_71"
OpenJDK Runtime Environment (build 1.8.0_71-b15)
OpenJDK 64-Bit Server VM (build 25.71-b15, mixed mode)

我得到的“计数”在~250的范围内变化。（不像你看到的那么多）

首先介绍一些背景知识。典型 Java 实现中的线程堆栈是在线程启动之前分配的连续内存区域，并且永远不会增长或移动。当 JVM 尝试创建堆栈帧以进行方法调用时，会发生堆栈溢出，并且该帧超出了内存区域的限制。测试可以通过显式测试SP来完成，但我的理解是，它通常使用内存页设置的聪明技巧来实现。

分配堆栈区域时，JVM 会发出系统调用，告诉操作系统在堆栈区域末尾将“红色区域”页面标记为只读或不可访问。当线程进行溢出堆栈的调用时，它会访问“红色区域”中的内存，从而触发内存故障。操作系统通过“信号”告诉JVM，JVM的信号处理程序将其映射到线程堆栈上“抛出”的信号处理程序。StackOverflowError

因此，以下是对可变性的几种可能的解释：

基于硬件的内存保护的粒度是页面边界。因此，如果线程堆栈已使用分配，则该区域的开头不会页面对齐。因此，从堆栈帧的开始到“红色区域”的第一个单词（>是<页面对齐）的距离将是可变的。malloc
“主”堆栈可能很特殊，因为在 JVM 引导时可以使用该区域。这可能会导致一些“东西”被保留在之前被调用的堆栈上。（这并不令人信服...我不相信。main

话虽如此，您看到的“大”可变性令人困惑。页面大小太小，无法解释计数中约 7000 的差异。

更新

当 JIT 被禁用（-Djava.compiler=NONE）时，我总是得到相同的数字（11907）。

有趣。除其他事项外，这可能导致堆栈限制检查以不同的方式完成。

这是有道理的，因为JIT优化可能会影响堆栈帧的大小，并且JIT完成的工作肯定必须在执行之间有所不同。

合理。在对方法进行 JIT 编译后，堆栈帧的大小可能会有所不同。假设在某个时刻编译了JIT，那么堆栈将混合使用“旧”和“新”帧。如果JIT编译发生在不同的点，那么比率将不同...因此，当您达到限制时，情况会有所不同。f()f()count

尽管如此，我认为如果通过引用有关该主题的一些文档和/或JIT在此特定示例中所做的工作的具体示例来证实这一理论，从而导致帧大小变化，那将是有益的。

恐怕机会不大...除非你准备付钱给某人为你做几天的研究。

1）不存在此类（公共）参考文档，AFAIK。至少，我一直无法为这种事情找到明确的来源......除了深入挖掘源代码。

2）查看JIT编译的代码，不会告诉你在JIT编译代码之前字节码解释器如何处理事情。因此，您将无法查看帧大小是否已更改。