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[Java教程]触摸java常量池


     java常量池是一个经久不衰的话题,也是面试官的最爱,题目花样百出,小菜早就对常量池有所耳闻,这次好好总结一下。

 

理论

     

     小菜先拙劣的表达一下jvm虚拟内存分布:

jvm虚拟内存分布

 

     程序计数器是jvm执行程序的流水线,存放一些跳转指令,这个太高深,小菜不懂。

     本地方法栈是jvm调用操作系统方法所使用的栈。

     虚拟机栈是jvm执行java代码所使用的栈。

     方法区存放了一些常量、静态变量、类信息等,可以理解成class文件在内存中的存放位置。

     虚拟机堆是jvm执行java代码所使用的堆。

     Java中的常量池,实际上分为两种形态:静态常量池运行时常量池

     所谓静态常量池,即*.class文件中的常量池,class文件中的常量池不仅仅包含字符串(数字)字面量,还包含类、方法的信息,占用class文件绝大部分空间。

     而运行时常量池,则是jvm虚拟机在完成类装载操作后,将class文件中的常量池载入到内存中,并保存在方法区中,我们常说的常量池,就是指方法区中的运行时常量池。

     接下来我们引用一些网络上流行的常量池例子,然后借以讲解。

 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); // true12 System.out.println(s1 == s3); // true13 System.out.println(s1 == s4); // false14 System.out.println(s1 == s9); // false15 System.out.println(s4 == s5); // false16 System.out.println(s1 == s6); // true

     首先说明一点,在java 中,直接使用==操作符,比较的是两个字符串的引用地址,并不是比较内容,比较内容请用String.equals()。

     s1 == s2这个非常好理解,s1、s2在赋值时,均使用的字符串字面量,说白话点,就是直接把字符串写死,在编译期间,这种字面量会直接放入class文件的常量池中,从而实现复用,载入运行时常量池后,s1、s2指向的是同一个内存地址,所以相等。

     s1 == s3这个地方有个坑,s3虽然是动态拼接出来的字符串,但是所有参与拼接的部分都是已知的字面量,在编译期间,这种拼接会被优化,编译器直接帮你拼好,因此String s3 = "Hel" + "lo";在class文件中被优化成String s3 = "Hello";,所以s1 == s3成立。

     s1 == s4当然不相等,s4虽然也是拼接出来的,但new String("lo")这部分不是已知字面量,是一个不可预料的部分,编译器不会优化,必须等到运行时才可以确定结果,结合字符串不变定理,鬼知道s4被分配到哪去了,所以地址肯定不同。配上一张简图理清思路:

java字符串不变     s1 == s9也不相等,道理差不多,虽然s7、s8在赋值的时候使用的字符串字面量,但是拼接成s9的时候,s7、s8作为两个变量,都是不可预料的,编译器毕竟是编译器,不可能当解释器用,所以不做优化,等到运行时,s7、s8拼接成的新字符串,在堆中地址不确定,不可能与方法区常量池中的s1地址相同。
jvm常量池,堆,栈内存分布

     s4 == s5已经不用解释了,绝对不相等,二者都在堆中,但地址不同。

     s1 == s6这两个相等完全归功于intern方法,s5在堆中,内容为Hello ,intern方法会尝试将Hello字符串添加到常量池中,并返回其在常量池中的地址,因为常量池中已经有了Hello字符串,所以intern方法直接返回地址;而s1在编译期就已经指向常量池了,因此s1和s6指向同一地址,相等。

     至此,我们可以得出三个非常重要的结论:

 

           必须要关注编译期的行为,才能更好的理解常量池。

           运行时常量池中的常量,基本来源于各个class文件中的常量池。

           程序运行时,除非手动向常量池中添加常量(比如调用intern方法),否则jvm不会自动添加常量到常量池。

 

     以上所讲仅涉及字符串常量池,实际上还有整型常量池、浮点型常量池等等,但都大同小异,只不过数值类型的常量池不可以手动添加常量,程序启动时常量池中的常量就已经确定了,比如整型常量池中的常量范围:-128~127,只有这个范围的数字可以用到常量池。

 

实践

     

     说了这么多理论,接下来让我们触摸一下真正的常量池。

     前文提到过,class文件中存在一个静态常量池,这个常量池是由编译器生成的,用来存储java源文件中的字面量(本文仅仅关注字面量),假设我们有如下java代码:

 

1 String s = "hi";

 

     为了方便起见,就这么简单,没错!将代码编译成class文件后,用winhex打开二进制格式的class文件。如图:

 二进制格式的class文件

 

     简单讲解一下class文件的结构,开头的4个字节是class文件魔数,用来标识这是一个class文件,说白话点就是文件头,既:CA FE BA BE。

     紧接着4个字节是java的版本号,这里的版本号是34,因为笔者是用jdk8编译的,版本号的高低和jdk版本的高低相对应,高版本可以兼容低版本,但低版本无法执行高版本。所以,如果哪天读者想知道别人的class文件是用什么jdk版本编译的,就可以看这4个字节。

     接下来就是常量池入口,入口处用2个字节标识常量池常量数量,本例中数值为00 1A,翻译成十进制是26,也就是有25个常量,其中第0个常量是特殊值,所以只有25个常量。

     常量池中存放了各种类型的常量,他们都有自己的类型,并且都有自己的存储规范,本文只关注字符串常量,字符串常量以01开头(1个字节),接着用2个字节记录字符串长度,然后就是字符串实际内容。本例中为:01 00 02 68 69。

     接下来再说说运行时常量池,由于运行时常量池在方法区中,我们可以通过jvm参数:-XX:PermSize、-XX:MaxPermSize来设置方法区大小,从而间接限制常量池大小。

     假设jvm启动参数为:-XX:PermSize=2M -XX:MaxPermSize=2M,然后运行如下代码:

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

     程序立刻会抛出:Exception in thread "main" java.lang.outOfMemoryError: PermGen space异常。PermGen space正是方法区,足以说明常量池在方法区中。

     在jdk8中,移除了方法区,转而用Metaspace区域替代,所以我们需要使用新的jvm参数:-XX:MaxMetaspaceSize=2M,依然运行如上代码,抛出:java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace异常。同理说明运行时常量池是划分在Metaspace区域中。具体关于Metaspace区域的知识,请读者自行搜索。

     本文所有代码均在jdk7、jdk8下测试通过,其他版本jdk可能会略有差异,请读者自行探索。

     参考文献:《深入理解java虚拟机———jvm高级特性与最佳实践》