觸摸java常量池

     java常量池是一個經久不衰的話題，也是面試官的最愛，題目花樣百出，小菜早就對常量池有所耳聞，此次好好總結一下。

 

理論

     

     小菜先拙劣的表達一下jvm虛擬內存分佈：

 

     程序計數器是jvm執行程序的流水線，存放一些跳轉指令，這個過高深，小菜不懂。

     本地方法棧是jvm調用操做系統方法所使用的棧。

     虛擬機棧是jvm執行java代碼所使用的棧。

     方法區存放了一些常量、靜態變量、類信息等，能夠理解成class文件在內存中的存放位置。

     虛擬機堆是jvm執行java代碼所使用的堆。

     Java中的常量池，實際上分爲兩種形態：靜態常量池和運行時常量池。

     所謂靜態常量池，即*.class文件中的常量池，class文件中的常量池不只僅包含字符串(數字)字面量，還包含類、方法的信息，佔用class文件絕大部分空間。

     而運行時常量池，則是jvm虛擬機在完成類裝載操做後，將class文件中的常量池載入到內存中，並保存在方法區中，咱們常說的常量池，就是指方法區中的運行時常量池。

     接下來咱們引用一些網絡上流行的常量池例子，而後藉以講解。

 1 String s1 = "Hello";  2 String s2 = "Hello";  3 String s3 = "Hel" + "lo";  4 String s4 = "Hel" + new String("lo");  5 String s5 = new String("Hello");  6 String s6 = s5.intern();  7 String s7 = "H";  8 String s8 = "ello";  9 String s9 = s7 + s8; 10 11 System.out.println(s1 == s2); // true 12 System.out.println(s1 == s3); // true 13 System.out.println(s1 == s4); // false 14 System.out.println(s1 == s9); // false 15 System.out.println(s4 == s5); // false 16 System.out.println(s1 == s6); // true

     首先說明一點，在java 中，直接使用==操做符，比較的是兩個字符串的引用地址，並非比較內容，比較內容請用String.equals()。

     s1 == s2這個很是好理解，s一、s2在賦值時，均使用的字符串字面量，說白話點，就是直接把字符串寫死，在編譯期間，這種字面量會直接放入class文件的常量池中，從而實現複用，載入運行時常量池後，s一、s2指向的是同一個內存地址，因此相等。

     s1 == s3這個地方有個坑，s3雖然是動態拼接出來的字符串，可是全部參與拼接的部分都是已知的字面量，在編譯期間，這種拼接會被優化，編譯器直接幫你拼好，因 此String s3 = "Hel" + "lo";在class文件中被優化成String s3 = "Hello";，因此s1 == s3成立。

     s1 == s4固然不相等，s4雖然也是拼接出來的，但new String("lo")這部分不是已知字面量，是一個不可預料的部分，編譯器不會優化，必須等到運行時才能夠肯定結果，結合字符串不變定理，鬼知道s4被分配到哪去了，因此地址確定不一樣。配上一張簡圖理清思路：

     s1 == s9也不相等，道理差很少，雖然s七、s8在賦值的時候使用的字符串字面量，可是拼接成s9的時候，s七、s8做爲兩個變量，都是不可預料的，編譯器畢竟 是編譯器，不可能當解釋器用，因此不作優化，等到運行時，s七、s8拼接成的新字符串，在堆中地址不肯定，不可能與方法區常量池中的s1地址相同。

     s4 == s5已經不用解釋了，絕對不相等，兩者都在堆中，但地址不一樣。

     s1 == s6這兩個相等徹底歸功於intern方法，s5在堆中，內容爲Hello ，intern方法會嘗試將Hello字符串添加到常量池中，並返回其在常量池中的地址，由於常量池中已經有了Hello字符串，因此intern方法直 接返回地址；而s1在編譯期就已經指向常量池了，所以s1和s6指向同一地址，相等。

     至此，咱們能夠得出三個很是重要的結論：

 

           必需要關注編譯期的行爲，才能更好的理解常量池。

           運行時常量池中的常量，基原本源於各個class文件中的常量池。

           程序運行時，除非手動向常量池中添加常量(好比調用intern方法)，不然jvm不會自動添加常量到常量池。

 

     以上所講僅涉及字符串常量池，實際上還有整型常量池、浮點型常量池等等，但都大同小異，只不過數值類型的常量池不能夠手動添加常量，程序啓動時常量池中的常量就已經肯定了，好比整型常量池中的常量範圍：-128~127，只有這個範圍的數字能夠用到常量池。

 

實踐

     

     說了這麼多理論，接下來讓咱們觸摸一下真正的常量池。

     前文提到過，class文件中存在一個靜態常量池，這個常量池是由編譯器生成的，用來存儲java源文件中的字面量(本文僅僅關注字面量)，假設咱們有以下java代碼：

 

1 String s = "hi";

 

     爲了方便起見，就這麼簡單，沒錯！將代碼編譯成class文件後，用winhex打開二進制格式的class文件。如圖：

 

 

     簡單講解一下class文件的結構，開頭的4個字節是class文件魔數，用來標識這是一個class文件，說白話點就是文件頭，既：CA FE BA BE。

     緊接着4個字節是java的版本號，這裏的版本號是34，由於筆者是用jdk8編譯的，版本號的高低和jdk版本的高低相對應，高版本能夠兼容低版本， 但低版本沒法執行高版本。因此，若是哪天讀者想知作別人的class文件是用什麼jdk版本編譯的，就能夠看這4個字節。

     接下來就是常量池入口，入口處用2個字節標識常量池常量數量，本例中數值爲00 1A，翻譯成十進制是26，也就是有25個常量，其中第0個常量是特殊值，因此只有25個常量。

     常量池中存放了各類類型的常量，他們都有本身的類型，而且都有本身的存儲規範，本文只關注字符串常量，字符串常量以01開頭(1個字節)，接着用2個字節記錄字符串長度，而後就是字符串實際內容。本例中爲：01 00 02 68 69。

     接下來再說說運行時常量池，因爲運行時常量池在方法區中，咱們能夠經過jvm參數：-XX:PermSize、-XX:MaxPermSize來設置方法區大小，從而間接限制常量池大小。

     假設jvm啓動參數爲：-XX:PermSize＝2M -XX:MaxPermSize＝2M，而後運行以下代碼：

1 //保持引用，防止自動垃圾回收 2 List<String> list = new ArrayList<String>(); 3 4 int i = 0; 5 6 while(true){ 7 //經過intern方法向常量池中手動添加常量 8 list.add(String.valueOf(i++).intern()); 9 }

     程序馬上會拋出：Exception in thread "main" java.lang.outOfMemoryError: PermGen space異常。PermGen space正是方法區，足以說明常量池在方法區中。

     在jdk8中，移除了方法區，轉而用Metaspace區域替代，因此咱們須要使用新的jvm參數：-XX:MaxMetaspaceSize=2M， 依然運行如上代碼，拋出：java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace異常。同理說明運行時常量池是劃分在Metaspace區域中。具體關於Metaspace區域的知識，請讀者自行搜索。

     本文全部代碼均在jdk七、jdk8下測試經過，其餘版本jdk可能會略有差別，請讀者自行探索。