深刻分析String.intern和String常量的實現原理

背景

字符串類型在實際應用場景中使用很是頻繁，若是爲每一個字符串常量都生成一個對應的String對象，明顯會形成內存的浪費，針對這一問題，虛擬機實現一個字符串常量池的概念，提供了以下實現：
一、同一個字符串常量，在常量池只有一份副本；
二、經過雙引號聲明的字符串，直接保存在常量池中；
三、若是是String對象，能夠經過String.intern方法，把字符串常量保存到常量池中；

本文JVM源碼版本 openjdk-7-fcs-src-b147-27

疑惑

在不一樣環境執行上述代碼，會獲得不一樣的結果，爲何？
一、JDK1.6的結果：false false
二、JDK1.7的結果：true false

解惑

其中String.intern在java中是native方法，JDK1.7的註釋以下：

 

一、執行intern方法時，若是常量池中存在和String對象相同的字符串，則返回常量池中對應字符串的引用；
二、若是常量池中不存在對應的字符串，則添加該字符串到常量中，並返回字符串引用；

HotSpot1.6實現

常量池的內存在永久代進行分配，永久代和Java堆的內存是物理隔離的，執行intern方法時，若是常量池不存在該字符串，虛擬機會在常量池中複製該字符串，並返回引用，使用intern方法時須要謹慎，避免常量池中字符串過多，致使性能變慢，甚至發生PermGen內存溢出。

顯然s.intern() == s不可能成立.

HotSpot1.7實現

intern方法的HotSpot實現入口位於openjdk\jdk\src\share\native\java\lang\String.c文件中：

其中JVM_InternString聲明位於openjdk\hotspot\src\share\vm\prims\jvm.cpp文件中：

String.intern最終經過StringTable.intern方法實現，其中StringTable是HotSpot字符串常量池的具體實現，1.7的常量池已經在Java堆上分配內存。

常量池的初始化

常量池的實現很是簡單，相似JDK中的HashMap，其中StringTable的聲明位於symbolTable.hpp文件中：

 

StringTable最終繼承了BasicHashtable，經過構造方法參數指定常量池的大小StringTableSize，默認爲1009，StringTableSize定義在globals.hpp文件中：

不過在Java7u40版本以後StringTableSize擴大到了60013，能夠經過-XX:StringTableSize = 10009設置StringTable大小，經過-XX:+PrintFlagsFinal打印虛擬機的Global flags參數，能夠得到當前StringTable的大小。

BasicHashtable實現

一、initialize方法初始化常量池的基本值：_table_size、_entry_size等；
二、NEW_C_HEAP_ARRAY方法在堆上分配HashtableBucket；
三、清空StringTable中的HashtableBucket數據；

StringTable.intern實現

一、其中參數string_or_null爲指向原字符串的句柄，name是String對象中字符數組的拷貝、len爲字符數組的長度；
二、java_lang_String::hash_string方法計算出字符串的hash值，實現以下：

三、BasicHashtable.hash_to_index方法計算出該hash值在StringTable中桶的位置index，實現以下：

四、StringTable::lookup方法判斷StringTable指定位置的桶中是否存在相等的字符串，實現以下：

lookup方法經過遍歷HashtableEntry鏈表，若是找到對應的hash值，且字符串值也相等，說明StringTable中已經存在該字符串，則返回該字符串引用，不然返回NULL；
五、若是StringTable不存在該字符串，則經過StringTable::basic_add方法添加字符串引用到StringTable，實現以下：

 

basic_add方法中的條件判斷!string_or_null.is_null()爲true，!JavaObjectsInPerm爲true，因此並不會進行字符串的複製，而是經過HashtableEntry對象封裝原字符串的hash值和指向源字符串的句柄，添加到StringTable對應bucket的鏈表中，並返回指向原字符串句柄；其中變量JavaObjectsInPerm默認爲false，定義以下：

 

經過上述分析：HotSpot1.7實現的常量池在java堆上分配內存，執行intern方法時，若是常量池已經存在相等的字符串，則直接返回字符串引用，不然複製該字符串引用到常量池中並返回；

一、對於變量s1，常量池中不存在"StringTest"，因此s1.intern()和 s1都是指向Java堆上的String對象；
二、對於變量s2，常量池中一開始就已經存在"java"字符串，s2.intern()方法返回的是另一個"java"字符串對象，因此s2.intern()和s2指向的並不是同一個對象；

字符串常量如何實現？

相似String s = "hello java"的字符串常量聲明，在HotSpot中是如何實現的呢？

其中字符串常量"hello java"會在編譯過程當中被保存在class文件的Constant pool數據結構中，以下是編譯字節碼實現：

String s = "hello java"對應了兩條字節碼實現：
一、ldc #2
二、astore_1

其中ldc指令的實如今interpreterRuntime.cpp文件中，實現以下：

ldc指令中會根據獲取的常量類型進行不一樣操做，因爲目前是字符串常量，從而調用pool->string_at(index, CHECK)邏輯，實現以下：

其中h_this是指向當前constantPoolOop實例的句柄，最後調用string_at_impl方法：

字符串常量一開始以Symbol類型表示，最終經過StringTable::intern方法生成字符串對象，並把字符串的真實引用更新到constantPool中，這樣下次執行ldc指令時能夠直接返回對象引用。