JVM内存结构图解 (四)

四　数据类型占用空间分析

　　操作数栈：long和double需要占用2个栈深单位(unit of depth)，其它类型占用1个栈深单位。

　　局部变量表：long和double需要占用2个局部变量空间(slot)，其它类型占用1个局部变量空间。

　　运行时常量池：byte、short和int被存储为CONSTANT_Integer_info 结构；float被存储为CONSTANT_Float_info 结构；long被存储为CONSTANT_Long_info 结构；double被存储为 CONSTANT_Double_info 结构。其中，long 和 double占用8个字节，byte、short、int和float占用4个字节。

　　虽然运行时常量池中占用空间并没有进一步细分，但保存的数据结构中会标记数据类型，byte被标记为B，int 被标记为I……

　　Java堆：虽然《Java虚拟机规范》中并没有明确说明基本数据类型的空间占用，但根据我对JIT编译生成的汇编代码分析，byte占用一个字节，short占用2个字节，float和int占用4个字节，long 和 double占用8个字节。

　　测试方法：声明byte[]，顺序写入索引0、索引1、索引2、索引3的元素。运行时开启JIT编译，查看得到的汇编代码中你会发现内存地址变化正如上面所说。

示例Java代码

byte[] array = new byte[4];

　　array[0] = 0;

　　array[1] = 1;

　　array[2] = 2;

　　array[3] = 3;

关键汇编代码：

 

　　0xa726a086: jne　　0xa726a07d　　　　 ;*newarray检测zf标志位：1顺序执行下一条指令；0跳转到0xa726a07d处指令

　　;eax寄存器中保存的是数组的起始内存地址。0xc(%eax)：基址eax + 偏移12。

　　;32位JVM中，数组对象使用12个字节记录两项信息：数组长度4字节 + 数组对象头8字节 = 12字节（0x0 至 0xb），所以保存数据的起始地址是0xc。

　　0xa726a088: movb　　$0x0,0xc(%eax)　　;*bastore将0写入0xc偏移位置

　　0xa726a08c: movb　　$0x1,0xd(%eax)　　;*bastore将1写入0xd偏移位置

　　0xa726a090: movb　　$0x2,0xe(%eax)　　;*bastore将2写入0xd偏移位置
　　0xa726a094: movb　　$0x3,0xf(%eax)　　;*bastore将3写入0xd偏移位置

五　递归优化

㈠ 栈溢出

　　根据第三节图例，JVM每执行每一个方法都会创建一层新的栈帧，当方法结束，那么栈帧就会销毁。

　　方法1调用方法2，方法2调用方法3……方法i-1调用方法i，因为每一个方法都没结束，那么最后会创建i层栈帧。

　　JVM中的虚拟机栈的空间大小可以通过参数配置，但如果方法嵌套调用链过长导致栈空间耗尽，那么就会发生栈溢出(StackOverflowError)。

㈡ 递归注意事项

　　正常程序一般不会导致栈溢出，但递归方法需要特别注意。

　　因为递归方法本身既是调用者又是被调用者，每一次方法执行时被调用者又会成为调用者而没有结束，所以栈帧不会被销毁，而是会一层一层累加。

　　虽然如此，很多时候依然会倾向于使用递归，但使用递归方法应注意以下几点：

　　1、一定要设定退出条件（无需递归即可直接求解的基准情况）。

　　2、避免在递归中反复求解。

　　3、避免在递归方法中嵌套递归方法。

　　4、避免在递归中创建大对象。

㈢ 错误示例及优化

错误示例1(无退出条件)：

public static void getAndSet(){

　　Object obj = get();

　　set(obj);

　　getAndSet();

}

正确方式：

public static void getAndSet(){

　　Object obj = get();

　　if(null != obj){

　　　　set(obj);

　　　　getAndSet();

　　}

}

如果实在没办法判断退出条件，可以这样：

public static void getAndSet(){

　　for( ; ; ){

　　　　Object obj = get();

　　　　set(obj);

　　}

}

错误示例2(反复求解)：

/**计算斐波那契数列

 * 0,1,1,2,3,5,8,13

 * 为了计算第7个数，必须先计算第6个；为了计算第6个，先得计算第5个……因为每一步计算的结果都没有存储，所以相同的计算结果反复计算。

 * 每一次方法调用都是两个f(n)的计算，所以第3个数开始，每次的计算都是前面两个数的计算次数之和。这是一个非常非常非常缓慢的算法！！！

 * 相当于每增加1，计算次数就要乘以1.618。

 * 当计算第30个数字的值时，方法调用达到1664079次，栈帧数量等同。

 */

public static int f(int n){

　　if(n == 0){

　　　　return 0;

　　}

　　if(n <= 2){

　　　　return 1;

　　}

　　return f(n-1) + f(n-2);

}

正确方式：

public static int f(int n){

　　int lastlast = 0;

　　int last = 1;

　　int sum = 1;

　　for(int i=2; i<=n; i++){

　　　　sum = last + lastlast;

　　　　lastlast = last;

　　　　last = sum;

　　}

　　return sum;

}

错误示例3(递归中嵌套递归)：

public static void getAndSet(){

　　Object obj = get();

　　if(null != obj){

　　　　set(obj);

　　　　getAndSet();

　　}

}

public static void set(Object obj){

　　obj.value = 10;

　　obj = obj.next;

　　if(null != obj){

　　　　set(obj);

　　}

}

正确方式：

public static void getAndSet(){

　　Object obj = get();

　　while(null != obj){

　　　　set(obj);

　　　　obj = get();

　　}

}

public static void set(Object obj){

　　while(null != obj){

　　　　obj.value = 10;

　　　　obj = obj.next;

　　}

}

错误方式4(递归方法中创建大数据对象)：

public static void build(){

    int[] array = new int[1024 * 1024 * 1024];

    build();

}

㈣ 总结

　　从以上示例可知，简单的尾递归都可以转化成循环。

　　从汇编语言的角度来看，比较、赋值和跳转构成了所有的语法结构，并没有递归，也没有循环。因此其实所有的递归，无论多复杂都可以转化成循环语句。

　　大部分情况下，递归并不需要转化成循环。譬如树搜索等使用递归会使得程序结构简单明了，且因其特殊的数据结构也使得递归层次并不会太深。

　　现代JVM会对大部分的尾递归方法进行优化，也就是转化成循环结构。但JVM并不保证对所有的尾递归都会进行转换。因此当存在递归深度过深的风险、递归方法中包含大对象等可能导致栈溢出的情况，手动转化成循环结构应该是更好的选择。

六　后记

JVM的知识结构体系庞大而复杂，牵涉到很多其它学科的知识，譬如计算机体系结构、操作系统、编译原理、离散数学、汇编语言、C、C++……

而且JVM中的每一个知识点几乎都可以写几本厚厚的书，譬如垃圾回收算法、性能调优……

本文目的只是让java coder对JVM有一个直观的认识，因此尽量用简单明了的语言和图例来描述比较抽象的概念，如果能帮助大伙在进一步学习时建立一点基本常识则非常欢喜了。

另，如有错误之处欢迎指正。谢谢！