JVM——字符串常量池详解

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引言

  在Java开发中不管是前后端交互的JSON串,还是数据库中的数据存储,我们常常需要使用到String类型的字符串。作为最常用也是最基础的引用数据类型,JVM为String提供了字符串常量池来提高性能,本篇文章我们一起从底层JVM中认识并学习字符串常量池的概念和设计原理。

字符串常量池由来

  在日常开发过程中,字符串的创建是比较频繁的,而字符串的分配和其他对象的分配是类似的,需要耗费大量的时间和空间,从而影响程序的运行性能,所以作为最基础最常用的引用数据类型,Java设计者在JVM层面提供了字符串常量池。

实现前提

  1. 实现这种设计的一个很重要的因素是:String类型是不可变的,实例化后,不可变,就不会存在多个同样的字符串实例化后有数据冲突;
  2. 运行时,实例创建的全局字符串常量池中会有一张表,记录着长相持中每个唯一的字符串对象维护一个引用,当垃圾回收时,发现该字符串被引用时,就不会被回收。

实现原理

  为了提高性能并减少内存的开销,JVM在实例化字符串常量时进行了一系列的优化操作:

  1. 在JVM层面为字符串提供字符串常量池,可以理解为是一个缓存区;
  2. 创建字符串常量时,JVM会检查字符串常量池中是否存在这个字符串;
  3. 若字符串常量池中存在该字符串,则直接返回引用实例;若不存在,先实例化该字符串,并且,将该字符串放入字符串常量池中,以便于下次使用时,直接取用,达到缓存快速使用的效果。
	String str1 = "abc";
	String str2 = "abc";
	System.out.println("str1 == str2: " + (str1 == str2)); //结果:str1 == str2: true

字符串常量池位置变化

方法区

  提到字符串常量池,还得先从方法区说起。方法区和Java堆一样(但是方法区是非堆),是各个线程共享的内存区域,是用于存储已经被JVM加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。
  很多人会把方法区称为永久代,其实本质上是不等价的,只不过HotSpot虚拟机设计团队是选择把GC分代收集扩展到了方法区,使用永久代来代替实现方法区。其实,在方法区中的垃圾收集行为还是比较少的,这个区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载,但是这个区域的回收总是不尽如人意的,如果该区域回收不完全就会出现内存泄露。当然,对于JDK1.8时,HostSpot VM对JVM模型进行了改造,将元数据放到本地内存,将常量池和静态变量放到了Java堆里。

元空间

   JDK 1.8, HotSpot JVM将永久代移除了,使用本地内存来存储类的元数据信息,即为元空间(Metaspace)

  所以,字符串常量池的具体位置是在哪里?当然这个我们后面需要区分jdk的版本,jdk1.7之前,jdk1.7,以及jdk1.8,因为这些版本中,字符串常量池因为方法区的改变而做了一些变化。

JDK1.7之前

  在jdk1.7之前,常量池是存放在方法区中的。
JVM——字符串常量池详解_第1张图片

JDK1.7

  在jdk1.7中,字符串常量池移到了堆中,运行时常量池还在方法区中。
JVM——字符串常量池详解_第2张图片

JDK1.8

  jdk1.8删除了永久代,方法区这个概念还是保留的,但是方法区的实现变成了元空间,常量池沿用jdk1.7,还是放在了堆中。这样的效果就变成了:常量池和静态变量存储到了堆中,类的元数据及运行时常量池存储到元空间中。
JVM——字符串常量池详解_第3张图片
  为啥要把方法区从JVM内存(永久代)移到直接内存(元空间)?主要有两个原因:

  1. 直接内存属于本地系统的IO操作,具有更高的一个IO操作性能,而JVM的堆内存这种,如果有IO操作,也是先复制到直接内存,然后再去进行本地IO操作。经过了一系列的中间流程,性能就会差一些。非直接内存操作:本地IO操作——>直接内存操作——>非直接内存操作——>直接内存操作——>本地IO操作,而直接内存操作:本地IO操作——>直接内存操作——>本地IO操作
  2. 永久代有一个无法调整更改的JVM固定大小上限,回收不完全时,会出现OutOfMemoryError问题;而直接内存(元空间)是受到本地机器内存的限制,不会有这种问题。

变化

  1. 在JDK1.7前,运行时常量池+字符串常量池是存放在方法区中,HotSpot VM对方法区的实现称为永久代。
  2. 在JDK1.7中,字符串常量池从方法区移到堆中,运行时常量池保留在方法区中。
  3. 在JDK1.8中,HotSpot移除永久代,使用元空间代替,此时字符串常量池保留在堆中,运行时常量池保留在方法区中,只是实现不一样了,JVM内存变成了直接内存。

结合代码

字符串对象创建详解

代码示例

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

结果

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

jvm存储示例

JVM——字符串常量池详解_第4张图片

创建对象流程

对于jvm底层,String str = new String("123")创建对象流程是什么?

  1. 在常量池中查找是否存在"123"这个字符串;若有,则返回对应的引用实例;若无,则创建对应的实例对象;
  2. 在堆中new一个String类型的"123"字符串对象;
  3. 将对象地址复制给str,然后创建一个应用。

注意
若常量池里没有"123"字符串,则创建了2个对象;若有该字符串,则创建了一个对象及对应的引用。

Q&A

String str =“ab” + “cd”;对象个数?

分析:若字符串常量池该字符串对象

  1. 字符串常量池:(1个对象)“abcd”;
  2. 堆:无
  3. 栈:(1个引用)str
    总共:1个对象+1个引用

String str = new String(“abc”);对象个数?

分析:若字符串常量池该字符串对象

  1. 字符串常量池:(1个对象)“abc”;
  2. 堆:(1个对象)new String(“abc”)
  3. 栈:(1个引用)str
    总共:2个对象+1个引用

String str = new String(“a” + “b”);对象个数?

分析:若字符串常量池该字符串对象

  1. 字符串常量池:(3个对象)“a”,“b”,“ab”;
  2. 堆:(1个对象)new String(“ab”)
  3. 栈:(1个引用)str
    总共:4个对象+1个引用

String str = new String(“ab”) + “ab”;对象个数?

分析:若字符串常量池该字符串对象

  1. 字符串常量池:(1个对象)“ab”;
  2. 堆:(1个对象)new String(“ab”)
  3. 栈:(1个引用)str
    总共:2个对象+1个引用

String str = new String(“ab”) + new String(“ab”);对象个数?

分析:若字符串常量池该字符串对象

  1. 字符串常量池:(1个对象)“ab”;
  2. 堆:(2个对象)new String(“ab”),new String(“ab”)
  3. 栈:(1个引用)str
    总共:3个对象+1个引用

String str = new String(“ab”) + new String(“cd”);对象个数?

分析:若字符串常量池该字符串对象

  1. 字符串常量池:(2个对象)“ab”,“cd”;
  2. 堆:(2个对象)new String(“ab”),new String(“cd”)
  3. 栈:(1个引用)str
    总共:4个对象+1个引用

String str3 = str1 + str2;对象个数?

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

分析:若字符串常量池该字符串对象

  1. 字符串常量池:(2个对象)“ab”,“cd”,“abcd”;
  2. 堆:无
  3. 栈:(3个引用)str1,str2,str3
    总共:2个对象+3个引用

如何指向字符串池中特定的对象?

通过intern()方法。
代码

        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));

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

结果

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

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