JVM内存结构图解

梦里梦外; 2022-01-15 05:05 180阅读 0赞

[为什么80%的码农都做不了架构师？>>> ][80_] ![hot3.png][]

# **1.0 真实系统中的概念** #

JVM(Java Virtual Machine)，顾名思义是对真实计算机系统的模拟，正因如此才能屏蔽物理机器的变化，从而实现“一次编译，到处运行”。  
  
　　相信很多Java程序员经常听到堆、栈等概念，也会进行设置调优以让Java应用能够更好地运行，但对于JVM与真实计算机系统之间的关系并没有特别清晰的认识。因此，这里先简单介绍下真实计算机系统中的一些概念。  
  
　　现代计算机系统中，也有寄存器、栈、堆等概念，这些与JVM中的概念相似，但有本质的不同。  
  
　　现代计算机系统中，内存是由操作系统配合CPU的段寄存器来管理的，主要分为内核空间（内核代码段，内核数据区）、代码段(.text)、数据段(.data 和 .bss)、栈、堆、共享内存区等。  
　　内核空间只能由操作系统访问，用户进程不能直接访问。如果用户进程要访问这部分数据，只能调用系统函数，否则会引发系统错误。  
　　栈保存局部变量等，一般由操作系统自动分配，由编译程序管理。  
　　栈由高地址向低地址发展，堆由低地址向高地址发展，如果两者地址发生重叠，那么就必定会出现程序错误。但操作系统一般会有内存保护机制，且因为有虚拟内存设计，其它存储设备可以映射到物理内存，因此可以降低物理内存的使用。  
  
　　JVM作为进程运行在操作系统之上，那么操作系统也需要为JVM分配栈空间。  
　　JVM作为进程启动或运行期间，向操作系统申请内存，操作系统在其管理的堆中为JVM分配内存，JVM再将这些内存划分成不同的区域。所以，JVM管理的运行时数据区实质上是处于系统堆中。  
  
　　所以，JVM中的堆并非操作系统管理的堆，JVM的栈也不是操作系统管理的栈。  
  
　　聊了聊真实计算机系统，再接着谈谈JVM。

# **2.0 JVM运行时数据区** #

![29081615_tGzh.jpg][]

## 2.1 PC寄存器(Program counter register) ##

PC寄存器又称作程序计数器，其作用类似于cpu中的代码段寄存器：指针寄存器（汇编中CS:EIP总是指向下一条要运行的指令地址）。  
　　线程中正在运行的方法被称为当前方法(current method)。如果当前方法是非native的，PC寄存器保存的是当前方法的字节码指令的地址；否则，值为undefined。

## 2.2 堆（Heap） ##

### **2.2.1 系统堆 与Java堆** ###

这里的堆指的是Java堆，与操作系统管理的堆是两个不同的概念，但作用类似。  
　　C语言中，可以使用malloc()向操作系统申请堆内存，使用完毕后一般需要显式调用free()来释放内存，如果未释放则可能导致内存耗尽。同时，这种内存申请、释放的方式容易产生内存碎片(C/C++程序员有些会使用第三方库来管理内存，有些则自己实现内存池来管理内存)。  
　　但在Java中，这些由JVM来处理，因此避免了复杂繁琐的内存管理。  
　　JVM运行过程中，可以动态地向操作系统申请内存作为Java堆或归还未使用的内存，堆内存可以是非连续的内存空间。当触发预设条件时，JVM会调用垃圾收集器来回收未被使用的对象。  
　　Java堆是垃圾收集器最重要的工作区域，另一个区域是非堆(永久代)。  
  
　　以下内容中，除非特别说明，堆均指的就是JVM堆。

### **2.2.2 内存分配与垃圾回收** ###

堆保存类实例对象和数组对象，堆是共享数据区，各线程均可使用此区域。

堆内存空间分配和垃圾收集机制会因垃圾收集器不同而不同，这里以Parallel new + CMS垃圾收集器为例。  
　　堆分为新生代(young generation)和老年代(old generation)；新生代又可分为Eden, From Survivor, To Survivor。  
　　![29081615_nJYM.jpg][]  
　　当Eden空间足够时，大部分新创建对象会被分配在Eden区（部分大对象会被直接分配到老年代）。  
　　当Eden空间不足时，会发生一次Minor GC，未被引用的对象会被回收，Eden中仍然存活的对象会被移动到From Survivor。  
　　Survivor中的对象每熬过1次MinorGC增加1岁，默认超过15岁依然存活的对象会被移入Tenured。  
　　当发生Minor GC时：如果Survivor的空间不足以保存Eden区仍然存活的对象，那么该对象会被直接移入 Tenured；如果Survivor 中同年对象的占用空间的总和达到或超过其中一个Survivor的一半，那么所有同年对象都会被移入Tenured。  
　　通常情况下，只有其中一个Survivor持有对象，另一个在下次GC之前总是为空。当再次发生GC时，Eden中的对象被复制到标记为To的空的Surivivor中，原来From中依然存活的未到达年龄的对象也会复制到To，此时To被标记为From，原来的From置空并被标记为To，轮换是为了避免Surivivor中因没有连续空间而导致对象被直接移入老年代。  
　　当Tenured空间使用达到一定比例时会触发Full GC，并且可能伴随着进行Minor GC。

### **2.2.3** 线程本地分配缓冲区(Thread-Local Allocation Buffer, TLAB) ###

为保证线程安全和避免内存争用，JVM会为每一个线程在Eden中设置一小块私有的缓冲区，称为TLAB。每一个TLAB都只有一个线程可以分配对象，因此可以避免采用全局锁来控制内存分配，而只需要在最后一个分配对象的末端顺序写入即可(指针碰撞)，可以快速分配内存。  
　　当一个线程的TLAB的空间不足需扩充内存时，那么就需要多线程方式来保证不会出现数据覆写。

### **2.2.4** 注意事项 ###

1.为了减少短期存活的大对象进入老年代，应尽可能缩短其生命周期，一种比较好的方式是在最后使用的地方手动置为null。  
　　幸运的话它会在Eden区被回收，即使进入Survivor也很难熬过15次Minor GC。  
　　2. 数据库查询只获取必要数据，而不是全表查询。  
　　3. 严格限定对象作用域，避免作用域溢出，导致对象总是被引用而无法回收。  
　　4. 多用单例，少用new。

## 2.3 非堆(Non-Heap Memory) ##

非堆也称作永久代(permanent generation)，逻辑上属于堆的一部分，但老年代的对象并不会移入永久代。  
　　永久代只用于存储元数据(Metadata)，譬如类的数据结构、字符串常量池等数据。  
　　运行时常量池与字符串常量池是完全不同的概念，运行时常量池归属于具体的类，是类数据结构的一部分，是私有的；而字符串常量池保存的是字符串对象的引用，字符串对象本身保存在堆中，是共享的。  
　　永久代也会发生GC，但此区域通常回收效率不高。

## 2.4 Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack） ##

Java虚拟机栈是每一个线程私有的，随线程开始而创建，随线程结束而销毁。

### 2.4.1 栈帧(Frams) ###

线程在执行每个方法时都会创建一个栈帧，栈帧随方法调用而创建，随方法结束而销毁，无论方法是否正常结束。  
　　栈帧中保存局部变量表、操作数栈和一个指向当前方法所属类的运行时常量池的引用。栈帧同样是线程私有的，一个线程不能访问另一个线程的栈帧。

### 2.4.2 局部变量表(Local Variables) ###

局部变量表保存的是方法运行期间所需要的数据。数据类型可以分为基本数据类型、对象引用类型和returnAddress类型。long和double会占用两个局部变量空间(slot)，其余的数据类型占用一个，局部变量表所需的内存空间在编译期间确定，方法执行期间不会改变。

### 2.4.3 操作数栈(Operand Stack) ###

操作数栈的长度由编译期间确定，操作数栈初始时为空，每一个操作数栈的成员(Entry)可以保存JVM定义的任意数据类型的值。long和double占用2个栈深单位，其它数据类型占用一个栈深单位。

## 2.5 本地方法栈(Native Method Stack) ##

本地方法栈保存的是native方法的信息，当一个JVM创建的线程调用native方法后，JVM不再为其在虚拟机栈中创建栈帧，JVM只是简单地动态链接并直接调用native方法。  
　　关于本地方法栈的信息内容非常少，HotSpot的说明书也没有找到相关信息，为避免误导，这里就先略过吧。

# 3.0 代码说明 #

这些概念都比较抽象，举个例子说明更直观明了。

## 3.1 示例代码 ##

public class HelloWorld {
    　　public static final int a = 10;		//声明全局变量a并赋值
    　　
    　　public static void main(String[] args){
    　　　　HelloWorld hw = new HelloWorld();	//实例化对象hw
    　　　　int b = 15;							//声明局部变量b并赋值
    　　　　int c = hw.add(b);					//调用add方法并赋值给c
    　　}
    
    　　public int add(int b){
    　　　　b = change(b);						//调用change方法并赋值给b
    　　　　return a + b + 3;					//返回计算结果
    　　}
    
    　　public int change(int b){
    　　　　return b + 5;						//返回计算结果
    　　}
    }

## 3.2 字节码 ##

/**
 * JVM启动时会将类信息保存到永久代（方法区）
 */
 public class HelloWorld
 
 　　minor version: 0　　　　 　　　 //编译副版本号
 　　major version: 52　　　　　　　 //编译主版本号，JVM校验class文件时使用，低版本JVM不能运行高版本编译器编译的class文件
 　　flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER　　//ACC_PUBLIC表示可以被包外class访问，ACC_SUPER表示需特殊处理的父类方法
 
 /**
 * 常量池：类似于《编译原理》中介绍的符号表；如希望进一步了解，请阅读附录书单的⑴⑵⑶
 */
 　　Constant pool:
 　　#1 = Methodref　　　　#6.#22　　　　　　　　 // java/lang/Object."<init>":()V
 　　#2 = Class　　　　　　#23　　　　　　　　　　// HelloWorld
 　　#3 = Methodref　　　　#2.#22　　　　　　　　 // HelloWorld."<init>":()V
 　　#4 = Methodref　　　　#2.#24　　　　　　　　 // HelloWorld.add:(I)I
 　　#5 = Methodref　　　　#2.#25　　　　　　　　 // HelloWorld.change:(I)I
 　　#6 = Class　　　　　　#26　　　　　　　　　　// java/lang/Object
 　　#7 = Utf8　　　　　　 a
 　　#8 = Utf8　　　　　　 I
 　　#9 = Utf8　　　　　　 ConstantValue
 　　#10 = Integer　　　　 10
 　　#11 = Utf8　　　　　　<init>
 　　#12 = Utf8　　　　　　()V
 　　#13 = Utf8　　　　　　Code
 　　#14 = Utf8　　　　　　LineNumberTable
 　　#15 = Utf8　　　　　　main
 　　#16 = Utf8　　　　　　([Ljava/lang/String;)V
 　　#17 = Utf8　　　　　　add
 　　#18 = Utf8　　　　　　(I)I
 　　#19 = Utf8　　　　　　change
 　　#20 = Utf8　　　　　　SourceFile
 　　#21 = Utf8　　　　　　HelloWorld.java
 　　#22 = NameAndType　　 #11:#12　　　　　　　　// "<init>":()V
 　　#23 = Utf8　　　　　　HelloWorld
 　　#24 = NameAndType　　 #17:#18　　　　　　　　// add:(I)I
 　　#25 = NameAndType　　 #19:#18　　　　　　　　// change:(I)I
 　　#26 = Utf8　　　　　　java/lang/Object
 
 
 {
 /** 静态final变量 a */
 　　public static final int a;
 　　　　descriptor: I　　　　//字段类型描述符，表明是一个int整形数
 　　　　flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_FINAL　　　　//字段属性描述符
 　　　　ConstantValue: int 10　　　　//常量值
 
 
 /** 构造方法 */
 　　public HelloWorld();
 　　　　descriptor: ()V　　　　//方法描述符，V表明返回值为空
 　　　　flags: ACC_PUBLIC　　　//方法属性标签
 　　　　Code:
 　　　　　　stack=1, locals=1, args_size=1　　　// 操作数栈深=1,本地变量数量=1,参数数量=1，0索引总是保存当前方法所属的对象引用(ObjectReference)，所以无参构造方法却显示有1个参数
 　　　　　　　　 0: aload_0　　　　　　　　　　 // 从局部变量表索引为0的地方获取对象引用类型，并压入到操作数栈，新建但未初始化
 　　　　　　　　 1: invokespecial #1　　　　　　// Method java/lang/Object."<init>":()V 调用父类的初始化方法
 　　　　　　　　 4: return　　　　　　　　　　　// 方法返回，返回值为空，栈帧销毁
 　　　　　　LineNumberTable:　　　　　　　　　　// LineNumberTable是一个数组，记录源代码所在的行。
 　　　　　　　　line 1: 0　　　　　　　　　　 　// line_number(源文件行号) : start_pc(code[]数组索引)
 
 
 /** main方法 */
 　　public static void main(java.lang.String[]);
 　　　　descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
 　　　　flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
 　　　　Code:
 　　　　　　stack=2, locals=4, args_size=1　　　// 操作数栈深=2,本地变量数量=4,参数数量=1
 　　　　　　　　 0: new　#2　　　　　　 // class HelloWorld 创建HelloWorld对象，堆中分配内存，引用值压入栈顶
 　　　　　　　　 3: dup　　　　　　　　 // 复制栈顶保存的对象引用，并将HelloWorld引用值再次压入栈顶
 　　　　　　　　 4: invokespecial　#3　 // Method "<init>":()V 弹出栈顶的一个元素HelloWorld引用，调用HelloWorld对象的初始化方法
 　　　　　　　　 7: astore_1　　　　　　// 弹出栈顶的一个元素HelloWorld引用，将栈顶的HelloWorld引用存入局部变量表的索引1位置
 　　　　　　　　 8: bipush　15　　　　　// 将byte类型常数15压入栈顶
 　　　　　　　　10: istore_2　　　　　　// 弹出栈顶的一个元素15，并将其存入局部变量表索引2位置
 　　　　　　　　11: aload_1　　　　　　 // 将局部变量表的索引1位置的HelloWorld引用压入栈顶
 　　　　　　　　12: iload_2　　　　　　 // 将局部变量表的索引2位置的int类型的15压入栈顶
 　　　　　　　　13: invokevirtual　#4　 // Method add:(I)I　弹出栈顶的两个元素并调用add方法，返回值33压入栈顶
 　　　　　　　　16: istore_3　　　　　　// 弹出栈顶的一个元素33，并将其存入局部变量表索引3位置
 　　　　　　　　17: return　　　　　　　// 方法返回，返回值为空，栈帧销毁，线程结束
 　　　　　　LineNumberTable:
 　　　　　　　　line 5: 0
 　　　　　　　　line 6: 8
 　　　　　　　　line 7: 11
 　　　　　　　　line 8: 17
 
 
 /** add方法 */
 　　public int add(int);
 　　　　descriptor: (I)I
 　　　　flags: ACC_PUBLIC
 　　　　Code:
 　　　　　　stack=2, locals=2, args_size=2　　　// 操作数栈深=2,本地变量数量=2,参数数量=2(非静态方法的参数0位置总是为当前方法所属对象的引用，所以只传入了参数b，却显示有2个参数)
 　　　　　　　　 0: aload_0　　　　　　 // 将局部变量表的索引0位置的HelloWorld引用压入栈顶
 　　　　　　　　 1: iload_1　　　　　　 // 将局部变量表的索引1位置(参数b)的15压入栈顶
 　　　　　　　　 2: invokevirtual　#5　 // Method change:(I)I　弹出栈顶的两个元素并调用change方法，返回值20压入栈顶
 　　　　　　　　 5: istore_1　　　　　　// 弹出栈顶元素20，并将其存入局部变量表的索引1位置
 　　　　　　　　 6: bipush　10　　　　　// 将byte类型常数10压入栈顶
 　　　　　　　　 8: iload_1　　　　　　 // 将局部变量表的索引1位置的20压入栈顶
 　　　　　　　　 9: iadd　　　　　　　　// 弹出栈顶的两个元素并相加：20 + 10，将结果30存入栈顶
 　　　　　　　　10: iconst_3　　　　　　// 将int类型常数3压入栈顶
 　　　　　　　　11: iadd　　　　　　　　// 弹出栈顶的两个元素并相加：30 + 3，将结果33存入栈顶
 　　　　　　　　12: ireturn　　　　　　 // 返回int类型的数值 33，栈帧销毁
 　　　　　　LineNumberTable:
 　　　　　　　　line 11: 0
 　　　　　　　　line 12: 6
 
 
 /** change方法 */
 　　public int change(int);
 　　　　descriptor: (I)I
 　　　　flags: ACC_PUBLIC
 　　　　Code:
 　　　　　　stack=2, locals=2, args_size=2
 　　　　　　　　 0: iload_1　　　　　　 // 将局部变量表的索引1位置的15压入栈顶
 　　　　　　　　 1: iconst_5　　　　　　// 将int类型常数5压入栈顶
 　　　　　　　　 2: iadd　　　　　　　　// 将栈顶的两个元素弹出并相加：5 + 15，并将结果存入栈顶
 　　　　　　　　 3: ireturn　　　　　　 // 返回int类型的数值 20，栈帧销毁
 　　　　　　LineNumberTable:
 　　　　　　　　line 16: 0
 }

## 3.3 构造方法图解 ##

![29081616_9cuh.jpg][]  
　　1.操作数栈初始为空，执行0：aload\_0指令，局部变量表的当前方法所属对象的引用(this) 复制到操作数栈的栈顶。实例对象保存在java堆，方法引用指向非堆方法区。  
　　2.执行1：invokespecial \#1指令，调用父类的初始化方法。父类初始化方法会在当前栈帧上添加一层新的栈帧。父类初始化方法执行完毕后，其对应栈帧销毁。

3.执行4：return指令返回，当前对象实例化完成，当前栈帧销毁。

## 3.4 main方法图解 ##

为更清楚地看到操作数栈、局部变量表及栈帧的变化，以main方法为例进行描述。

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td style="text-align:center;">栈帧内容变化</td> 
 <td style="text-align:center;">栈帧创建销毁变化</td> 
 <td style="text-align:center;">描述</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td><img alt="" src="https://static.oschina.net/uploads/img/201612/29081616_N0pI.jpg"></td> 
 <td><img alt="" src="https://static.oschina.net/uploads/img/201612/29081616_MtDy.jpg"></td> 
 <td>创建main方法栈帧 指令 0:new #2 创建HelloWorld对象：Java堆中的当前线程所属的TLAB中为对象分配内存。 对象引用值压入栈顶。</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td><img alt="" src="https://static.oschina.net/uploads/img/201612/29081616_v15Y.jpg"></td> 
 <td><img alt="" src="https://static.oschina.net/uploads/img/201612/29081616_MtDy.jpg"></td> 
 <td>指令 3:dup 复制栈顶的当前对象引用(this)，并将其再次压入栈顶</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td><img alt="" src="https://static.oschina.net/uploads/img/201612/29081616_lGVx.jpg"></td> 
 <td><img alt="" src="https://static.oschina.net/uploads/img/201612/29081616_5Uy0.jpg"></td> 
 <td>指令 4:invokespecial #3 弹出栈顶的一个元素this作为参数并调用HelloWorld.init方法，创建一层HelloWorld.init方法的栈帧</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>&nbsp;</td> 
 <td><img alt="" src="https://static.oschina.net/uploads/img/201612/29081616_x8Y9.jpg"></td> 
 <td>HelloWorld.init方法执行期间： HelloWorld.init方法中再调用Object.init方法，创建一层Object.init方法的栈帧 (见上一小节的构造方法图解)</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>&nbsp;</td> 
 <td><img alt="" src="https://static.oschina.net/uploads/img/201612/29081616_5Uy0.jpg"></td> 
 <td>HelloWorld.init方法执行期间： Object.init方法执行完毕，其对应的栈帧销毁。</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td><img alt="" src="https://static.oschina.net/uploads/img/201612/29081616_Hx21.jpg"></td> 
 <td><img alt="" src="https://static.oschina.net/uploads/img/201612/29081616_MtDy.jpg"></td> 
 <td>HelloWorld.init方法执行完毕，其对应栈帧销毁。 指令 7:astore_1 将操作数栈中的this保存到局部变量表的索引1位置</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td><img alt="" src="https://static.oschina.net/uploads/img/201612/29081616_PKsN.jpg"></td> 
 <td><img alt="" src="https://static.oschina.net/uploads/img/201612/29081616_MtDy.jpg"></td> 
 <td>指令 8:bipush 15 将byte类型常数15压入栈顶</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td><img alt="" src="https://static.oschina.net/uploads/img/201612/29081616_YrMF.jpg"></td> 
 <td><img alt="" src="https://static.oschina.net/uploads/img/201612/29081616_MtDy.jpg"></td> 
 <td>指令 10:istore_2 将栈顶的int类型常数 15保存到局部变量表索引2位置</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td><img alt="" src="https://static.oschina.net/uploads/img/201612/29081616_IeQU.jpg"></td> 
 <td><img alt="" src="https://static.oschina.net/uploads/img/201612/29081616_MtDy.jpg"></td> 
 <td>指令 11:aload_1 将局部变量表的索引1位置的HelloWorld引用压入栈顶</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td><img alt="" src="https://static.oschina.net/uploads/img/201612/29081616_iBdg.jpg"></td> 
 <td><img alt="" src="https://static.oschina.net/uploads/img/201612/29081616_MtDy.jpg"></td> 
 <td>指令&nbsp;12: iload_2 将局部变量表的索引2位置的int类型的15压入栈顶</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td><img alt="" src="https://static.oschina.net/uploads/img/201612/29081617_BIj5.jpg"></td> 
 <td><img alt="" src="https://static.oschina.net/uploads/img/201612/29081617_Z57B.jpg"></td> 
 <td>指令 13:invokevirtual #4 弹出栈顶的两个元素作为参数并调用add方法，，创建一层Object.init方法的栈帧 add方法执行完毕后返回值33压入栈顶</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>&nbsp;</td> 
 <td><img alt="" src="https://static.oschina.net/uploads/img/201612/29081617_Slzn.jpg"></td> 
 <td>add方法执行期间： add方法调用change方法，创建一层change方法栈帧</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>&nbsp;</td> 
 <td><img alt="" src="https://static.oschina.net/uploads/img/201612/29081617_Z57B.jpg"></td> 
 <td>add方法执行期间： change方法执行完毕，其对应的栈帧销毁</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td><img alt="" src="https://static.oschina.net/uploads/img/201612/29081617_FwZ1.jpg"></td> 
 <td><img alt="" src="https://static.oschina.net/uploads/img/201612/29081616_MtDy.jpg"></td> 
 <td>add方法执行完毕，其对应的栈帧销毁 指令 16:istore_3 弹出栈顶的一个元素33，并将其存入局部变量表索引3位置</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>&nbsp;</td> 
 <td>&nbsp;</td> 
 <td>指令 17:return main方法执行完毕，栈帧销毁，线程结束</td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

# 4.0 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

# 5.0 递归优化 #

## 5.1 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)。

## 5.2 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。

## 5.3 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();
    }

## **5.4 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。

# 6.0 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！

# 7.0 参考资料 #

⑴ 《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践 第2版》 作者：周志明  
　　⑵ 《Java虚拟机规范：Java SE 7 Edition》 作者：Tim Lindholm、Frank Yellin、Gilad Bracha、Alex Buckley 译者：周志明、吴璞渊、冶秀刚  
　　⑶ 《The Java® Virtual Machine Specification ：Java SE 8 Edition》 作者：Tim Lindholm、Frank Yellin、Gilad Bracha、Alex Buckley  
　　⑷ 《深入理解计算机系统 第2版》 作者：Randal E.Bryant、David R.O’Hallaron  
　　⑸ 《操作系统概念 第7版》 作者：Abraham Silberschatz、Peter Baer Galvin、Greg Gagne  
　　⑹ 《Garbage Collection in the Java HotSpot Virtual Machine》 作者：Tony Printezis  
　　⑺ 《Java 性能优化权威指南》 作者：charlie Hunt、Binu John  
　　⑻ 《数据结构与算法分析.Java语言描述》 作者：Mark Allen Weiss

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