Тайны самого простого типа в Java
На одном из собеседований мне задали вопрос: так, сколько байт занимает переменная типа boolean в памяти? А типа Boolean?
Я, не долго думая, выпалил, что, мол о каких байтах речь, наверняка boolean в Java занимает 1 БИТ, а восемь флажков так и вообще 1 БАЙТ.
Мне сказали, что я не прав, в Java все иначе и вообще, идите, учите матчасть.
Типы в Java и их размеры
Я думаю вы часто встречали что-то вроде такого:
| Type | Size in Bytes | Range |
|---|---|---|
| byte | 1 byte | -128 to 127 |
| short | 2 bytes | -32,768 to 32,767 |
| int | 4 bytes | -2,147,483,648 to 2,147,483, 647 |
| long | 8 bytes | -9,223,372,036,854,775,808 to 9,223,372,036,854,775,807 |
| float | 4 bytes | approximately ±3.40282347E+38F (6-7 significant decimal digits) Java implements IEEE 754 standard |
| double | 8 bytes | approximately ±1.79769313486231570E+308 (15 significant decimal digits) |
| char | 2 byte | 0 to 65,536 (unsigned) |
| boolean | not precisely defined* | true or false |
Табличка, где boolean стыдливо обходится стороной и замалчивается как бедный родственник, отсидевший в тюрьме за кражу поддельного айфона из перехода.
Согласно официальному туториалу от Sun/Oracle мы видим следующую картину для народных масс: boolean представляет 1 бит информации, но размер остается на совести того, кто воплощает спеку JVM.
Заглядывая в спеку JVM
Собственно в спеке, на одной из первых страниц [стр.20], мы видим приписку, что, мол boolean в ранних спеках и за тип не считался, настолько он специфический. Впрочем, параграф 2.3.4, приоткрывает завесу тайны над идеями имплементации boolean на конкретной виртуальное машине.
There are no Java Virtual Machine instructions solely dedicated to operations on boolean values. Instead, expressions in the Java programming language that operate on boolean values are compiled to use values of the Java Virtual Machine int data type.
Т.е. нам ясно говорят, что в целом boolean внутренне — это типичный 4-байтовый int. Соответственно, переменная типа boolean, скорее всего будет занимать 4 байта (в 32 раза больше, чем само значение, которое она презентует).
Проверяя bytecode
Напишем простой пример
public class Sample < public static void main(String[] args) < boolean flag = true; flag = false; > > и поглядим в его bytecode
// class version 52.0 (52) // access flags 0x21 public class experiment/Sample < // compiled from: Sample.java // access flags 0x1 public ()V L0 LINENUMBER 3 L0 ALOAD 0 INVOKESPECIAL java/lang/Object. ()V RETURN L1 LOCALVARIABLE this Lexperiment/Sample; L0 L1 0 MAXSTACK = 1 MAXLOCALS = 1 // access flags 0x9 public static main([Ljava/lang/String;)V L0 LINENUMBER 5 L0 ICONST_1 ISTORE 1 L1 LINENUMBER 6 L1 ICONST_0 ISTORE 1 L2 LINENUMBER 7 L2 RETURN L3 LOCALVARIABLE args [Ljava/lang/String; L0 L3 0 LOCALVARIABLE flag Z L1 L3 1 MAXSTACK = 1 MAXLOCALS = 2 > Мы видим тут замечательные ICONST_1/ICONST_0 — это специальные инструкции для JVM, чтобы положить на стек 1 и 0, соответственно. Т.е. good-old true/false превращаются в 1 и 0. А нам еще запрещают в java писать выражения ‘true + 1’
INT? Ну серьезно? Почему не short или byte? Почему огромный многословный int? Это вызывает вопросы, на которые я попробую ответить ближе к концу статьи.
А массивы?
Кажется, что должно быть все грустно. Массив из десятка boolean будет занимать столько же места, что и массив из десятка int-ов. Как бы не так!
В той же спеке, в параграфе 2.3.4, говорится
The Java Virtual Machine does directly support boolean arrays. Its newarray instruction (§newarray) enables creation of boolean arrays. Arrays of type boolean are accessed and modified using the byte array instructions baload and bastore (§baload, §bastore).
Поглядим байткод для одного такого массива с парочкой изменяемых элементов.
boolean[] flags = new boolean[100000]; flags[99999] = false; flags[88888] = true && false;
// class version 52.0 (52) // access flags 0x21 public class experiment/Sample < // compiled from: Sample.java // access flags 0x1 public ()V L0 LINENUMBER 5 L0 ALOAD 0 INVOKESPECIAL java/lang/Object. ()V RETURN L1 LOCALVARIABLE this Lexperiment/Sample; L0 L1 0 MAXSTACK = 1 MAXLOCALS = 1 // access flags 0x9 public static main([Ljava/lang/String;)V L0 LINENUMBER 9 L0 LDC 100000 NEWARRAY T_BOOLEAN ASTORE 1 L1 LINENUMBER 10 L1 ALOAD 1 LDC 99999 ICONST_0 BASTORE L2 LINENUMBER 11 L2 ALOAD 1 LDC 88888 ICONST_0 BASTORE L3 LINENUMBER 14 L3 RETURN L4 LOCALVARIABLE args [Ljava/lang/String; L0 L4 0 LOCALVARIABLE flags [Z L1 L4 1 MAXSTACK = 3 MAXLOCALS = 2 > Ура, новые операции видны. Впрочем наши любимые ICONST_0 никто не отменял.
Там же идет мелким шрифтом, как часть контракта, которую никто не читает
In Oracle’s Java Virtual Machine implementation, boolean arrays in the Java programming language are encoded as Java Virtual Machine byte arrays, using 8 bits per boolean element.
Грубо говоря, парни, на правильных JVM все не так плохо и мы можем сэкономить на счетах за электричество.
Уже британскими учеными разработаны новейшие инструкции для загрузки и выгрузки значений в такой массив, да и сам массив будет задействовать только по 1 байту на элемент.
Ну что, неплохо, но надо проверять.
Я давно не доверяю методам замера памяти а-ля Runtime.getRuntime().freeMemory(), поэтому я воспользовался библиотечкой JOL из состава OpenJDK.
dependency> groupId>org.openjdk.jol groupId> artifactId>jol-core artifactId> version>0.8 version> dependency>
Там есть простая возможность узнать размеры элемента массива для вашей конкретной JVM
System.out.println(VM.current().details());
Результат оказался ожидаемым, наш элемент и вправду занимает 1 байт на моей машине вместе с Oracle JDK 1.8.66
# Running 64-bit HotSpot VM. # Using compressed oop with 3-bit shift. # Using compressed klass with 3-bit shift. # Objects are 8 bytes aligned. # Field sizes by type: 4, 1, 1, 2, 2, 4, 4, 8, 8 [bytes] # Array element sizes: 4, 1, 1, 2, 2, 4, 4, 8, 8 [bytes] А что насчет типа Boolean?
Вот уж кто, наверное, жрет памяти за обе щеки.
А вот и нет, вполне себе скромный честный труженик с тратой памяти на заголовок и выравнивание
header: 8 bytes value: 1 byte padding: 7 bytes ------------------ sum: 16 bytes Что же делать?
Ну если вам нужен именно тип boolean, он у вас во всех сигнатурах и т.д. — то ничего не делать, сидеть на попе ровно и ждать 50 релиза Java, может там престарелый Леша Шиппелoff научится распихивать свои стринги по карманам boolean.
Если дело только в эффективных структурах данных, то даже в самой Java есть кое-что на закуску. Это https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/util/BitSet.html
Это структура данных, умеющая оперировать набором логических значений как набором бит. Впрочем с boolean она несовместима. Ее можно использовать для эффективного представления в памяти достаточно больших наборов.
import java.util.BitSet; public class BitSetDemo < public static void main(String args[]) < BitSet bits1 = new BitSet(16); BitSet bits2 = new BitSet(16); // set some bits for(int i = 0; i < 16; i++) < if((i % 2) == 0) bits1.set(i); if((i % 5) != 0) bits2.set(i); > System.out.println("Initial pattern in bits1: "); System.out.println(bits1); System.out.println("\nInitial pattern in bits2: "); System.out.println(bits2); // AND bits bits2.and(bits1); System.out.println("\nbits2 AND bits1: "); System.out.println(bits2); // OR bits bits2.or(bits1); System.out.println("\nbits2 OR bits1: "); System.out.println(bits2); // XOR bits bits2.xor(bits1); System.out.println("\nbits2 XOR bits1: "); System.out.println(bits2); > > Initial pattern in bits1: Initial pattern in bits2: bits2 AND bits1: bits2 OR bits1: bits2 XOR bits1: <> Почему сразу не сделали хорошо?
Во-первых, я думаю дело в том, что адресоваться к битам неудобно и сложно. Все заточено под байты — адресная арифметика, всякие машинные команды и прочее. Очень сложно подойти к биту и попытаться выполнить на нем какое-то адресное смещение. Да и вряд ли такая операция будет дешевой — мы все равно будем тратиться на обращение к байту и поиск в нем искомого бита., чтобы установить его или сбросить.
Во-вторых, и byte и short не являются полноценными численными типами, над ними довлеет проклятие int и его целочисленных операций, вряд ли бы мы смогли существенно сэкономить, перегоняя boolean->byte->int
results matching » «
No results matching » «
boolean — боремся за Java память…
У Вас когда-либо случались такие ситуации, когда Ваше Java приложение трещит по швам? В моём случае это случилось из-за нехватки доступной оперативной памяти. И, естественно, обнаружилась нехватка в самый неподходящий момент: на носу очередной долгожданный релиз, один из серверов остановлен для обновления кода и данных и реинкарнация старого кода уже невозможна, в ближайшие дни запланировано несколько совещаний и собеседований, что сильно отвлекает от процесса оптимизации — в общем, ЧП не прошло незамеченным.
К слову сказать, сделай я правильный backup и экстренные работы по восстановлению жизнеспособности прошли бы гораздо более спокойно, но это была бы уже совсем другая история. Итак в моём распоряжении есть код, которому не хватает 15Gb оперативной памяти для нормального функционирования и очень длительный и дорогостоящий процесс запуска (около 5 часов), в ходе работы которого можно только сидеть со скрещенными пальцами и надеятся, что в этот раз заветные слова OutOfMemoryException не появятся в консоли удалённого сервера.
Не буду описывать всех ухищрений, которые пришлось проделать, чтобы восстановить остановленный сервер в течении трёх дней, но одним своим мини открытием поделюсь — boolean — это не тот тип данных, который Вы хотите использовать в высоконагруженных системах. Внимание вопрос:
Как Вы думаете, сколько памяти занимает boolean например на Ubuntu server x64?
Правильным ответом будет: неизвестно и зависит только от реализации JVM.
Рассмотрим распространённую Sun JVM и прочтем в спецификации виртуальной машины, что boolean типа в ней нет как такового, вместо него используется int! А это означает, что для хранения значения типа «да\нет» используется ровно 32 бита, независимо от архитектуры процессора. Правда в том же разделе мы видим, что произведена оптимизация для работы с массивами boolean, которые преобразуются в массив байт, что даёт прирост доступной памяти в 4 раза. И всё же платить за хранение нолика или еденички семью лишними битами — иногда просто кощунство и издевательство над серверами (особенно при размерах массивов в 500 миллионов элементов).
Спасением в таких случаях будет класс BitSet, который ведёт себя подобно массиву boolean, но упаковывает данные так, что для одного бита выделяется всего один бит памяти (с небольшими издержками для всего массива). BitSet хранит внутри себя массив типа long, а при запросе или установке значения определенного бита — высчитывает индекс нужного long и пользуясь побитовыми операциями и операциями сдвига производит вычисления над единственным битом.
Существует еще более интересная реализация BitSet, OpenBitSet — Apache реализация, которая используется для Lucene. Она гораздо быстрее, но упускает некоторые проверки, проводимые в оригинальном BitSet. Что использовать — решать Вам.
Java/Типы данных
В Java есть 8 примитивных типов, которые делят на 4 группы, вот они:
- Целые числа — byte, short, int, long
- Числа с плавающей точкой (иначе вещественные) — float, double
- Логический — boolean
- Символьный — char
Целочисленные типы [ править ]
Целочисленные типы различаются между собой только диапазонами возможных значений, например, для хранения номера элемента в таблице Менделеева пока хватит переменной типа byte.
| Тип | Размер (бит) | Диапазон |
|---|---|---|
| byte | 8 бит | от -128 до 127 |
| short | 16 бит | от -32768 до 32767 |
| char | 16 бит | беззнаковое целое число, представляющее собой символ UTF-16 (буквы и цифры) |
| int | 32 бит | от -2147483648 до 2147483647 |
| long | 64 бит | от -9223372036854775808L до 9223372036854775807L |
Пример использования целочисленных типов:
public class IntegralTypes public static void main(String[] args) byte b = 216; // Вот тут будет ошибка, т.к. у нас диапазон от -128 до 127! short s = 1123; int i = 64536; long l = 2147483648L; // Постфикс l или L обозначает литералы типа long System.out.println(i); System.out.println(b); System.out.println(s); System.out.println(l); > >
Символы тоже относят к целочисленным типам из-за особенностей представления в памяти и традиций.
public class Characters public static void main(String[] args) char a = 'a', b, c = 'c'; b = (char) ((a + c) / 2); // Можно складывать, вычитать, делить и умножать // Но из-за особенностей арифметики Java результат приходится приводить к типу char явно System.out.println(b); // Выведет символ 'b' > >
Типы с плавающей точкой [ править ]
| Тип | Размер (бит) | Диапазон |
|---|---|---|
| float | 32 | от 1.4e-45f до 3.4e+38f |
| double | 64 | от 4.9e-324 до 1.7e+308 |
public class FloatingPointTypes public static void main(String[] args) double a, b = 4.12; a = 22.1 + b; float pi = 3.14f; // При использовании типа float требуется указывать суффикс f или F // так как без них типом литерала будет считаться double float anotherPi = (float) 3.14; // Можно привести явно double c = 27; double d = pi * c; System.out.println(d); > >
Логический тип [ править ]
| Тип | Размер (бит) | Значение |
|---|---|---|
| boolean | 8 (в массивах), 32 (не в массивах используется int) | true (истина) или false (ложь) |
В стандартной реализации Sun JVM и Oracle HotSpot JVM тип boolean занимает 4 байта (32 бита), как и тип int. Однако, в определенных версиях JVM имеются реализации, где в массиве boolean каждое значение занимает по 1-му байту.
Ссылочные [ править ]
Ссылочные типы — это все остальные типы: классы, перечисления и интерфейсы, например, объявленные в стандартной библиотеке Java, а также массивы.
Строки [ править ]
Строки это объекты класса String, они очень распространены, поэтому в некоторых случаях обрабатываются отлично от всех остальных объектов. Строковые литералы записываются в двойных кавычках.
public class Strings public static void main(String[] args) String a = "Hello", b = "World"; System.out.println(a + " " + b); // Здесь + означает объединение (конкатенацию) строк // Пробел не вставляется автоматически // Строки конкатенируются слева направо, надо помнить это когда соединяешь строку и примитив String c = 2 + 2 + ""; // "4" String d = "" + 2 + 2; // "22" d = "" + (2 + 2); // а теперь d тоже "4" String foo = "a string"; String bar = "a string"; // bar будет указывать на тот же объект что и foo String baz = new String("a string"); // Чтобы гарантированно создать новую строку надо вызвать конструктор System.out.println("foo == bar ? " + (foo == bar)); // == сравнивает ссылки на объекты System.out.println("foo равен bar ? " + (foo.equals(bar))); // Метод equals служит для проверки двух объектов на равенство System.out.println("foo == baz ? " + (foo == baz)); System.out.println("foo равен baz ? " + (foo.equals(baz))); > >
Эта программа выведет:
Hello World
foo == bar ? true
foo равен bar ? true
foo == baz ? false
foo равен baz ? true
Обертки [ править ]
Если требуется создать ссылку на один из примитивных типов данных, необходимо использовать соответствующий класс-обертку. Также в таких классах есть некоторые полезные методы и константы, например минимальное значение типа int можно узнать использовав константу Integer.MIN_VALUE. Оборачивание примитива в объект называется упаковкой (boxing), а обратный процесс распаковкой (unboxing).
| Тип | Класс-обертка |
|---|---|
| byte | Byte |
| short | Short |
| int | Integer |
| long | Long |
| char | Character |
| float | Float |
| double | Double |
| boolean | Boolean |
int i; Integer boxed; // Обычное создание объекта boxed = new Integer(i); // Фабричный метод boxed = Integer.valueOf(i); // Автоматическая упаковка, компилятор просто вставит вызов Integer.valueOf boxed = i;
Рекомендуется использовать valueOf, он может быть быстрее и использовать меньше памяти потому что применяет кэширование, а конструктор всегда создает новый объект.
Получить примитив из объекта-обертки можно методом Value.
Integer boxed; int i; // Явная распаковка i = boxed.intValue(); // Автоматическая распаковка i = boxed;
Сколько памяти занимает boolean в java
Одной из основных особенностей Java является то, что данный язык является строго типизированным. А это значит, что каждая переменная и константа представляет определенный тип и данный тип строго определен. Тип данных определяет диапазон значений, которые может хранить переменная или константа.
Итак, рассмотрим систему встроенных базовых типов данных, которая используется для создания переменных в Java. А она представлена следующими типами.
-
boolean : хранит значение true или false
boolean isActive = false; boolean isAlive = true;
byte a = 3; byte b = 8;
short a = 3; short b = 8;
int a = 4; int b = 9;
long a = 5; long b = 10;
double x = 8.5; double y = 2.7;
float x = 8.5F; float y = 2.7F;
При этом переменная может принимать только те значения, которые соответствуют ее типу. Если переменная представляет целочисленный тип, то она не может хранить дробные числа.
Целые числа
Все целочисленные литералы, например, числа 10, 4, -5, воспринимаются как значения типа int , однако мы можем присваивать целочисленные литералы другим целочисленным типам: byte , long , short . В этом случае Java автоматически осуществляет соответствующие преобразования:
byte a = 1; short b = 2; long c = 2121;
Однако если мы захотим присвоить переменной типа long очень большое число, которое выходит за пределы допустимых значений для типа int, то мы столкнемся с ошибкой во время компиляции:
long num = 2147483649;
Здесь число 2147483649 является допустимым для типа long, но выходит за предельные значения для типа int. И так как все целочисленные значения по умолчанию расцениваются как значения типа int, то компилятор укажет нам на ошибку. Чтобы решить проблему, надо добавить к числу суффикс l или L , который указывает, что число представляет тип long:
long num = 2147483649L;
Как правило, значения для целочисленных переменных задаются в десятичной системе счисления, однако мы можем применять и другие системы счисления. Например:
int num111 = 0x6F; // 16-теричная система, число 111 int num8 = 010; // 8-ричная система, число 8 int num13 = 0b1101; // 2-ичная система, число 13
Для задания шестнадцатеричного значения после символов 0x указывается число в шестнадцатеричном формате. Таким же образом восьмеричное значение указывается после символа 0 , а двоичное значение — после символов 0b .
Также целые числа поддерживают разделение разрядов числа с помощью знака подчеркивания:
int x = 123_456; int y = 234_567__789; System.out.println(x); // 123456 System.out.println(y); // 234567789
Числа с плавающей точкой
При присвоении переменной типа float дробного литерала с плавающей точкой, например, 3.1, 4.5 и т.д., Java автоматически рассматривает этот литерал как значение типа double . И чтобы указать, что данное значение должно рассматриваться как float , нам надо использовать суффикс f:
float fl = 30.6f; double db = 30.6;
И хотя в данном случае обе переменных имеют практически одно значения, но эти значения будут по-разному рассматриваться и будут занимать разное место в памяти.
Символы и строки
В качестве значения переменная символьного типа получает одиночный символ, заключенный в одинарные кавычки: char ch=’e’; . Кроме того, переменной символьного типа также можно присвоить целочисленное значение от 0 до 65535 . В этом случае переменная опять же будет хранить символ, а целочисленное значение будет указывать на номер символа в таблице символов Unicode (UTF-16). Например:
char ch=102; // символ 'f' System.out.println(ch);
Еще одной формой задания символьных переменных является шестнадцатеричная форма: переменная получает значение в шестнадцатеричной форме, которое следует после символов «\u». Например, char ch=’\u0066′; опять же будет хранить символ ‘f’.
Символьные переменные не стоит путать со строковыми, ‘a’ не идентично «a». Строковые переменные представляют объект String , который в отличие от char или int не является примитивным типом в Java:
String hello = "Hello. "; System.out.println(hello);
Кроме собственно символов, которые представляют буквы, цифры, знаки препинания, прочие символы, есть специальные наборы символов, которые называют управляющими последовательностями. Например, самая популярная последовательность — «\n». Она выполняет перенос на следующую строку. Например:
String text = "Hello \nworld"; System.out.println(text);
Результат выполнения данного кода:
Hello world
В данном случае последовательность \n будет сигналом, что необходимо сделать перевод на следующую строку.
Начиная с версии 15 Java поддерживает тестовые блоки (text blocks) — многострочный текст, облеченный в тройные кавычки. Рассмотрим, в чем их практическая польза. Например, выведем большой многострочный текст:
String text = "Вот мысль, которой весь я предан,\n"+ "Итог всего, что ум скопил.\n"+ "Лишь тот, кем бой за жизнь изведан,\n"+ "Жизнь и свободу заслужил."; System.out.println(text);
С помощью операции + мы можем присоединить к одному тексту другой, причем продолжение текста может располагаться на следующей строке. Чтобы при выводе текста происходил перенос на следующую строку, применяется последовательность \n.
Результат выполнения данного кода:
Вот мысль, которой весь я предан, Итог всего, что ум скопил. Лишь тот, кем бой за жизнь изведан, Жизнь и свободу заслужил.
Текстовые блоки, которые появились в JDK15, позволяют упростить написание многострочного текста:
String text = """ Вот мысль, которой весь я предан, Итог всего, что ум скопил. Лишь тот, кем бой за жизнь изведан, Жизнь и свободу заслужил. """; System.out.println(text);
Весь текстовый блок оборачивается в тройные кавычки, при этом не надо использовать соединение строк или последовательность \n для их переноса. Результат выполнения программы будет тем же, что и в примере выше.