在Java中推断方法的堆栈内存使用情况

Question

我正在尝试确定每个方法在运行时使用了多少堆栈内存。为了完成这个任务，我设计了这个简单的程序，它会强制引发一个StackOverflowError。

public class Main {
    private static int i = 0;

    public static void main(String[] args) {
        try {
            m();
        } catch (StackOverflowError e) {
            System.err.println(i);
        }
    }

    private static void m() {
        ++i;
        m();
    }
}

打印一个整数，告诉我 m() 函数被调用了多少次。我手动设置了 JVM 的堆栈大小（-Xss VM 参数）为不同的值（128k、256k、384k），得到了下面的结果：

   stack    i       delta
    128     1102
    256     2723    1621
    384     4367    1644

delta是由我计算的，它表示当前行与上一行i值之间的差。正如预期的那样，它是固定的。问题就在这里。我知道栈大小内存增量是128k，这意味着每次调用大约使用80个字节的内存（这似乎夸张了）。

在BytecodeViewer中查找m()，我们可以得到一个最大深度为2的堆栈。我们知道这是一个静态方法，没有this参数传递，并且m()没有参数。我们还必须考虑返回地址指针。因此，每个方法调用应该使用大约3 * 8 = 24个字节（我假设每个变量占用8个字节，当然可能完全错误。是吗？）。即使比这多一点，比如说48字节，我们仍然远远低于80字节的值。

我以为可能与内存对齐有关，但事实上，在那种情况下，我们会得到大约64或128个字节的值，我想。

我正在64位Windows7操作系统下运行64位JVM。

我做出了几个假设，其中一些可能完全错误。如果是这种情况，我很乐意听取建议。

在任何人开始问我为什么要这样做之前，我必须坦白一点..

- devoured elysium

Answer 1

您需要在堆栈中包含指令指针（8字节），即使您认为不需要保存其他上下文信息，也可能会保存。对齐方式可以是16字节，也可以是8字节，就像堆一样。例如，它即使没有返回值也可以保留8字节的空间。

Java并不像许多其他编程语言那样适合大量使用递归。例如，它不执行尾递归优化，这种情况下会导致程序无限运行。 ;)

- Peter Lawrey

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是的，我忘了明确说明24字节包括2个变量和返回地址。 - devoured elysium

即使您认为不需要保存其他上下文信息，实际上可能仍然会保存。这就是我想知道的内容！我会给任何能够解决问题的人提供饼干和酒精！ - devoured elysium

在JNI调用中，包括jenv（环境）和jclass（类）。最好的方法是阅读OpenJDK代码来解决它。 - Peter Lawrey

Answer 2

这个问题可能超出了我的能力范围，也许你在更深层次上谈论这个问题，但我还是会尽力回答。

首先，你所指的“返回地址指针”是什么？当一个方法完成时，返回方法将从堆栈帧中弹出。因此，在执行方法帧内部不存储返回地址。

方法帧存储局部变量。由于它是静态的且没有参数，所以应该是空的，就像你所说的那样，而操作数栈和本地变量的大小在编译时固定，每个单元都是32位宽。但除此之外，该方法还必须具有对其所属类的常量池的引用。

此外，JVM规范指定方法帧“可以使用其他特定于实现的信息进行扩展，例如调试信息。” 这可能取决于编译器，可以解释剩余的字节。

以上内容均来自JVM规范。

更新：

研究OpenJDK源代码发现，这似乎是传递给方法调用的帧的结构。这为我们提供了对内部情况的很好洞察力。

/* Invoke types */

#define INVOKE_CONSTRUCTOR 1
#define INVOKE_STATIC      2
#define INVOKE_INSTANCE    3

typedef struct InvokeRequest {
    jboolean pending;      /* Is an invoke requested? */
    jboolean started;      /* Is an invoke happening? */
    jboolean available;    /* Is the thread in an invokable state? */
    jboolean detached;     /* Has the requesting debugger detached? */
    jint id;
    /* Input */
    jbyte invokeType;
    jbyte options;
    jclass clazz;
    jmethodID method;
    jobject instance;    /* for INVOKE_INSTANCE only */
    jvalue *arguments;
    jint argumentCount;
    char *methodSignature;
    /* Output */
    jvalue returnValue;  /* if no exception, for all but INVOKE_CONSTRUCTOR */
    jobject exception;   /* NULL if no exception was thrown */
} InvokeRequest;

源代码

- Jivings

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先生，那是一些有见地的信息。不过，您能推测一下为什么每个方法调用似乎需要80字节吗？ - devoured elysium

我可以告诉您我的JVM实现在Frame结构中持有哪些信息？ - Jivings

@devouredelysium 我更新了我的答案，加入了OpenJDK源代码。 - Jivings