Java 常量池分析

Java常量池

常量池：存放所有常量

• 常量池是Class文件中内容最为丰富的区域。常量池对于Class文件中的字段和方法解析也有着至关重要的作用。

• 随着Java虚拟机的不断发展，常量池的内容也日渐丰富。可以说，常量池是整个Class文件的基石。

• 在版本号之后，紧跟着的是常量池的数量，以及若干个常量池表项。

• 常量池中常量的数量是不固定的，所以在常量池的入口需要放置一项u2类型的无符号数，代表常量池容量计数值（constant_pool_count）。与Java中语言习惯不一样的是，这个容量计数是从1而不是0开始的。

类型	名称	数量
u2(无符号数)	constant_pool_count	1
cp_info(表)	constant_pool	constant_pool_count-1

由上表可见，Class文件使用了一个前置的容量计数器(constant_pool_count)加若干个连续的数据项(constant_pool)的形式来描述常量池内容。我们把这一系列连续常量池数据称为常量池集合。

• 常量池表中，用于存放编译时期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放

常量池计数器

constant_pool_count (常量池计数器)

• 由于常量池的数量不固定，时长时短，所以需要放置两个字节来表示常量池容量计数值。
• 常量池容量计数值（u2类型）：从1开始，表示常量池中有多少项常量。即constant_pool_count=1表示常量池中有0个常量项。

常量池表

• constant_pool是一种表结构,以 1 ~ constant_pool_count -1 为索引。表明了后面有多少个常量项。
• 常量池主要存放两大类常量：字面量（Literal）和符号引用（Symbolic References）
• 它包含了class文件结构及其子结构中引用的所有字符串常量、类或接口名、字段名和其他常量。常量池中的每一项都具备相同的特征。第1个字节作为类型标记，用于确定该项的格式，这个字节称为tag byte(标记字节、标签字节)。

类型	标志（或标识）	描述
CONSTANT_utf8_info	1	UTF-8编码的字符串
CONSTANT_Integer_info	3	整形字面量
CONSTANT_Float_info	4	浮点型字面量
CONSTANT_Long_info	5	长整型字面量
CONSTANT_Double_info	6	双精度浮点型字面量
CONSTANT_Class_info	7	类或接口的符号引用
CONSTANT_String_info	8	字符串类型字面量
CONSTANT_Fieldref_info	9	字段的符号引用
CONSTANT_Methodref_info	10	类中方法的符号引用
CONSTANT_InterfaceMethodref_info	11	接口中方法的符号引用
CONSTANT_NameAndType_info	12	字段或方法的符号引用
CONSTANT_MethodHandle_info	15	表示方法句柄
CONSTANT_MethodType_info	16	标志方法类型
CONSTANT_InvokeDynamic_info	18	表示一个动态方法的调用点

字面量和符号引用

常量池主要存放两大类常量：字面量（Literal）和符号引用（Symbolic References）。如下表：

常量	具体的常量
字面量	文本字符串
	声明为final的常量值
符号引用	类和接口的全限定名
	字段的名称和描述符
	方法的名称和描述符

代码实例：

package com.kang.demo;

public class Test {

    private int num = 1;

    public int add(){
        num = num + 2;
        return num;
    }
}

全限定名

com/kang/demo/Test 这个就是类的全限定名，仅仅是把包名的".“替换成”/“，为了使连续的多个全限定名之间不产生混淆，在使用时最后一般会加入一个”;"表示全限定名结束。

简单名称

简单名称是指没有类型和参数修饰的方法或者字段名称，上面例子中的类的add()方法和num字段的简单名称分别是add和num。

描述符

描述符的作用是用来描述字段的数据类型、方法的参数列表（包括数量、类型以及顺序）和返回值。根据描述符规则，基本数据类型（byte、char、short、int、long、float、double、boolean）以及代表无返回值的void类型都用一个大写字符来表示，而对象类型则用字符L加对象的全限定名来表示，详见下表:

标志符	含义
B	基本数据类型byte
C	基本数据类型char
D	基本数据类型double
F	基本数据类型float
I	基本数据类型int
J	基本数据类型long
S	基本数据类型short
Z	基本数据类型boolean
V	代表void类型
L	对象类型，比如：Ljava/lang/object;
[	数据类型，代表一维数组。比如：double[][][] is [[[D

用描述符来描述方法时，按照先参数列表，后返回值的顺序描述，参数列表按照参数的严格顺序放在一组小括号"()"之内。如方法java.lang.String toString()的描述符为() Ljava/lang/String; 方法int abc(int[]x,int y)的描述符为([II)I。

补充说明：

虚拟机在加载Class文件（字节码）时才会进行动态链接，也就是说，Class文件中不会保存各个方法和字段的最终内存布局信息，因此，这些字段和方法的符号引用不经过转换是无法直接被虚拟机使用的。当虚拟机运行时，需要从常量池中获得对应的符号引用，再在类加载过程中的解析阶段将其替换为直接引用，并翻译到具体的内存地址中。

这里说明下符号引用和直接引用的区别与关联：

• 符号引用：符号引用以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何形式的字面量，只要使用时能无歧义地定位到目标即可。符号引用与虚拟机实现的内存布局无关，引用的目标并不一定已经加载到了内存中。
• 直接引用：直接引用可以是直接指向目标的指针、针对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄。直接引用是与虚拟机实现的内存布局相关的，同一个符号引用在不同虚拟机实例上翻译出来的直接引用一般不会相同。如果有了直接引用，那说明引用的目标必定已经存在于内存之中了。

常量池结构表如图所示

u1,u2,u4,u8分别代表1个字节,2个字节,4个字节,8个字节的无符号数

其他：

探究String字符串最大长度

常量	项目	类型	描述
CONSTANT_Utf8_info	tag	u1	值为1
	length	u2	UTF-8 编码的字符串占用了字节数
	bytes	u1	长度为length的UTF-8编码的字符串

由此可知：length长度的类型是u2,u2是无符号的16位整数，2^16 - 1 = 65535

所以得出编译期字符串长度不能超过65535，下面使用65535个数字

删除一个数字1后，长度为65534就可以正常编译了

运行期限制

String.java 源码：

    public String(char value[], int offset, int count) {
        if (offset < 0) {
            throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset);
        }
        if (count <= 0) {
            if (count < 0) {
                throw new StringIndexOutOfBoundsException(count);
            }
            if (offset <= value.length) {
                this.value = "".value;
                return;
            }
        }
        // Note: offset or count might be near -1>>>1.
        if (offset > value.length - count) {
            throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset + count);
        }
        this.value = Arrays.copyOfRange(value, offset, offset+count);
    }

上面构造函数中count参数就是字符串的最大长度。在Java中，int的最大长度是2^{31-1，所以在运行时String的最大长度是2}31-1。char类型为2个字节，所以要乘以2。

默认情况下（当然也可以在JVM调参数）：

(2^31-1) x 2 = 4 GB

所以结论为：String的长度是有限的。

• 编译期的限制：字符串的UTF8编码值的字节数不能超过65535，字符串的长度不能超过65534。
• 运行时限制：字符串的长度不能超过2^31-1,占用的内存数不能超过虚拟机能够提供的最大值。