JVM——字符串常量池詳解

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引言

  在Java開發中不論是先後端交互的JSON串，仍是數據庫中的數據存儲，咱們經常須要使用到String類型的字符串。做爲最經常使用也是最基礎的引用數據類型，JVM爲String提供了字符串常量池來提升性能，本篇文章咱們一塊兒從底層JVM中認識並學習字符串常量池的概念和設計原理。

字符串常量池由來

  在平常開發過程當中，字符串的建立是比較頻繁的，而字符串的分配和其餘對象的分配是相似的，須要耗費大量的時間和空間，從而影響程序的運行性能，因此做爲最基礎最經常使用的引用數據類型，Java設計者在JVM層面提供了字符串常量池。

實現前提

1. 實現這種設計的一個很重要的因素是：String類型是不可變的，實例化後，不可變，就不會存在多個一樣的字符串實例化後有數據衝突；
2. 運行時，實例建立的全局字符串常量池中會有一張表，記錄着長相持中每一個惟一的字符串對象維護一個引用，當垃圾回收時，發現該字符串被引用時，就不會被回收。

實現原理

  爲了提升性能並減小內存的開銷，JVM在實例化字符串常量時進行了一系列的優化操做：

1. 在JVM層面爲字符串提供字符串常量池，能夠理解爲是一個緩存區；
2. 建立字符串常量時，JVM會檢查字符串常量池中是否存在這個字符串；
3. 若字符串常量池中存在該字符串，則直接返回引用實例；若不存在，先實例化該字符串，而且，將該字符串放入字符串常量池中，以便於下次使用時，直接取用，達到緩存快速使用的效果。

String str1 = "abc";
	String str2 = "abc";
	System.out.println("str1 == str2: " + (str1 == str2)); //結果：str1 == str2: true

字符串常量池位置變化

方法區

  提到字符串常量池，還得先從方法區提及。方法區和Java堆同樣（可是方法區是非堆），是各個線程共享的內存區域，是用於存儲已經被JVM加載的類信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯後的代碼等數據。
  不少人會把方法區稱爲永久代，其實本質上是不等價的，只不過HotSpot虛擬機設計團隊是選擇把GC分代收集擴展到了方法區，使用永久代來代替實現方法區。其實，在方法區中的垃圾收集行爲仍是比較少的，這個區域的內存回收目標主要是針對常量池的回收和對類型的卸載，可是這個區域的回收老是不盡如人意的，若是該區域回收不徹底就會出現內存泄露。固然，對於JDK1.8時，HostSpot VM對JVM模型進行了改造，將元數據放到本地內存，將常量池和靜態變量放到了Java堆裏。

元空間

   JDK 1.8, HotSpot JVM將永久代移除了，使用本地內存來存儲類的元數據信息，即爲元空間（Metaspace）

  因此，字符串常量池的具體位置是在哪裏？固然這個咱們後面須要區分jdk的版本，jdk1.7以前，jdk1.7，以及jdk1.8，由於這些版本中，字符串常量池由於方法區的改變而作了一些變化。

JDK1.7以前

  在jdk1.7以前，常量池是存放在方法區中的。

JDK1.7

  在jdk1.7中，字符串常量池移到了堆中，運行時常量池還在方法區中。

JDK1.8

  jdk1.8刪除了永久代，方法區這個概念仍是保留的，可是方法區的實現變成了元空間，常量池沿用jdk1.7，仍是放在了堆中。這樣的效果就變成了：常量池和靜態變量存儲到了堆中，類的元數據及運行時常量池存儲到元空間中。

  爲啥要把方法區從JVM內存（永久代）移到直接內存（元空間）？主要有兩個緣由：

1. 直接內存屬於本地系統的IO操做，具備更高的一個IO操做性能，而JVM的堆內存這種，若是有IO操做，也是先複製到直接內存，而後再去進行本地IO操做。通過了一系列的中間流程，性能就會差一些。非直接內存操做：本地IO操做——>直接內存操做——>非直接內存操做——>直接內存操做——>本地IO操做，而直接內存操做：本地IO操做——>直接內存操做——>本地IO操做。
2. 永久代有一個沒法調整更改的JVM固定大小上限，回收不徹底時，會出現OutOfMemoryError問題；而直接內存（元空間）是受到本地機器內存的限制，不會有這種問題。

變化

1. 在JDK1.7前，運行時常量池+字符串常量池是存放在方法區中，HotSpot VM對方法區的實現稱爲永久代。
2. 在JDK1.7中，字符串常量池從方法區移到堆中，運行時常量池保留在方法區中。
3. 在JDK1.8中，HotSpot移除永久代，使用元空間代替，此時字符串常量池保留在堆中，運行時常量池保留在方法區中，只是實現不同了，JVM內存變成了直接內存。

結合代碼

字符串對象建立詳解

代碼示例

String str1 = "123";
	String str2 = "123";
    String str3 = "123";
    String str4 = new String("123");
    String str5 = new String("123");
    String str6 = new String("123");

結果：

str1 == str2：true
str2 == str3：true
str3 == str4：false
str4 == str5：false
str5 == str6：false

jvm存儲示例

建立對象流程

對於jvm底層，String str = new String("123")建立對象流程是什麼？

1. 在常量池中查找是否存在"123"這個字符串；如有，則返回對應的引用實例；若無，則建立對應的實例對象；
2. 在堆中new一個String類型的"123"字符串對象；
3. 將對象地址複製給str，而後建立一個應用。

注意：
若常量池裏沒有"123"字符串，則建立了2個對象；如有該字符串，則建立了一個對象及對應的引用。

Q&A

String str ="ab" + "cd";對象個數？

分析：若字符串常量池該字符串對象

1. 字符串常量池：（1個對象）"abcd";
2. 堆：無
3. 棧：（1個引用）str
   總共：1個對象+1個引用

String str = new String("abc");對象個數？

分析：若字符串常量池該字符串對象

1. 字符串常量池：（1個對象）"abc";
2. 堆：（1個對象）new String("abc")
3. 棧：（1個引用）str
   總共：2個對象+1個引用

String str = new String("a" + "b");對象個數？

分析：若字符串常量池該字符串對象

1. 字符串常量池：（3個對象）"a"，"b"，"ab";
2. 堆：（1個對象）new String("ab")
3. 棧：（1個引用）str
   總共：4個對象+1個引用

String str = new String("ab") + "ab";對象個數？

分析：若字符串常量池該字符串對象

1. 字符串常量池：（1個對象）"ab";
2. 堆：（1個對象）new String("ab")
3. 棧：（1個引用）str
   總共：2個對象+1個引用

String str = new String("ab") + new String("ab");對象個數？

分析：若字符串常量池該字符串對象

1. 字符串常量池：（1個對象）"ab";
2. 堆：（2個對象）new String("ab")，new String("ab")
3. 棧：（1個引用）str
   總共：3個對象+1個引用

String str = new String("ab") + new String("cd");對象個數？

分析：若字符串常量池該字符串對象

1. 字符串常量池：（2個對象）"ab"，"cd";
2. 堆：（2個對象）new String("ab")，new String("cd")
3. 棧：（1個引用）str
   總共：4個對象+1個引用

String str3 = str1 + str2;對象個數？

String str1 = "ab";
String str2 = "cd";
String str3 = str1 + str2;

分析：若字符串常量池該字符串對象

1. 字符串常量池：（2個對象）"ab"，"cd"，"abcd";
2. 堆：無
3. 棧：（3個引用）str1，str2，str3
   總共：2個對象+3個引用

如何指向字符串池中特定的對象？

經過intern()方法。
代碼

String str1 = "123";
        String str2 = new String("123");
        String str3 = str2;
        System.out.println("str1 == str2：" + (str1 == str2));
        System.out.println("str1 == str3：" + (str1 == str3));

		//經過java.lang.String.intern()方法指定字符串對象
        String str4 = str2.intern();
        System.out.println("str1 == str4：" + (str1 == str4));

結果：

str1 == str2：false
str1 == str3：false
str1 == str4：true