觸摸java常量池

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     java常量池是一個經久不衰的話題，也是面試官的最愛，題目花樣百出，小菜早就對常量池有所耳聞，這次好好總結一下。

 

理論

     

     小菜先拙劣的表達一下jvm虛擬記憶體分布：

 

     程式計數器是jvm執行程式的流水線，存放一些跳轉指令，這個太高深，小菜不懂。

     本地方法棧是jvm叫用作業系統方法所使用的棧。

     虛擬機器棧是jvm執行java代碼所使用的棧。

     方法區存放了一些常量、靜態變數、類資訊等，可以理解成class檔案在記憶體中的存放位置。

     虛擬機器堆是jvm執行java代碼所使用的堆。

     Java中的常量池，實際上分為兩種形態：靜態常量池和運行時常量池。

     所謂靜態常量池，即*.class檔案中的常量池，class檔案中的常量池不僅僅包含字串(數字)字面量，還包含類、方法的資訊，佔用class檔案絕大部分空間。

     而運行時常量池，則是jvm虛擬機器在完成類裝載操作後，將class檔案中的常量池載入到記憶體中，並儲存在方法區中，我們常說的常量池，就是指方法區中的運行時常量池。

     接下來我們引用一些網路上流行的常量池例子，然後藉以講解。

 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

     首先說明一點，在java 中，直接使用==操作符，比較的是兩個字串的引用地址，並不是比較內容，比較內容請用String.equals()。

     s1 == s2這個非常好理解，s1、s2在賦值時，均使用的字串字面量，說白話點，就是直接把字串寫死，在編譯期間，這種字面量會直接放入class檔案的常量池中，從而實現複用，載入運行時常量池後，s1、s2指向的是同一個記憶體位址，所以相等。

     s1 == s3這個地方有個坑，s3雖然是動態拼接出來的字串，但是所有參與拼接的部分都是已知的字面量，在編譯期間，這種拼接會被最佳化，編譯器直接幫你拼好，因此String s3 = "Hel" + "lo";在class檔案中被最佳化成String s3 = "Hello";，所以s1 == s3成立。

     s1 == s4當然不相等，s4雖然也是拼接出來的，但new String("lo")這部分不是已知字面量，是一個不可預料的部分，編譯器不會最佳化，必須等到運行時才可以確定結果，結合字串不變定理，鬼知道s4被分配到哪去了，所以地址肯定不同。配上一張簡圖理清思路：

     s1 == s9也不相等，道理差不多，雖然s7、s8在賦值的時候使用的字串字面量，但是拼接成s9的時候，s7、s8作為兩個變數，都是不可預料的，編譯器畢竟是編譯器，不可能當解譯器用，所以不做最佳化，等到運行時，s7、s8拼接成的新字串，在堆中地址不確定，不可能與方法區常量池中的s1地址相同。

     s4 == s5已經不用解釋了，絕對不相等，二者都在堆中，但地址不同。

     s1 == s6這兩個相等完全歸功於intern方法，s5在堆中，內容為Hello ，intern方法會嘗試將Hello字串添加到常量池中，並返回其在常量池中的地址，因為常量池中已經有了Hello字串，所以intern方法直接返回地址；而s1在編譯期就已經指向常量池了，因此s1和s6指向同一地址，相等。

     至此，我們可以得出三個非常重要的結論：

 

           必須要關注編譯期的行為，才能更好的理解常量池。

           運行時常量池中的常量，基本來源於各個class檔案中的常量池。

           程式運行時，除非手動向常量池中添加常量(比如調用intern方法)，否則jvm不會自動添加常量到常量池。

 

     以上所講僅涉及字串常量池，實際上還有整型常量池、浮點型常量池等等，但都大同小異，只不過數實值型別的常量池不可以手動添加常量，程式啟動時常量池中的常量就已經確定了，比如整型常量池中的常量範圍：-128~127，只有這個範圍的數字可以用到常量池。

 

實踐

     

     說了這麼多理論，接下來讓我們觸摸一下真正的常量池。

     前文提到過，class檔案中存在一個靜態常量池，這個常量池是由編譯器產生的，用來儲存java源檔案中的字面量(本文僅僅關注字面量)，假設我們有如下java代碼：

 

1 String s = "hi";

 

     為了方便起見，就這麼簡單，沒錯！將代碼編譯成class檔案後，用winhex開啟二進位格式的class檔案。

 

 

     簡單講解一下class檔案的結構，開頭的4個位元組是class檔案魔數，用來標識這是一個class檔案，說白話點就是檔案頭，既：CA FE BA BE。

     緊接著4個位元組是java的版本號碼，這裡的版本號碼是34，因為筆者是用jdk8編譯的，版本號碼的高低和jdk版本的高低相對應，高版本可以相容低版本，但低版本無法執行高版本。所以，如果哪天讀者想知道別人的class檔案是用什麼jdk版本編譯的，就可以看這4個位元組。

     接下來就是常量池入口，入口處用2個位元組標識常量池常量數量，本例中數值為00 1A，翻譯成十進位是26，也就是有25個常量，其中第0個常量是特殊值，所以只有25個常量。

     常量池中存放了各種類型的常量，他們都有自己的類型，並且都有自己的儲存規範，本文只關注字串常量，字串常量以01開頭(1個位元組)，接著用2個位元組記錄字串長度，然後就是字串實際內容。本例中為：01 00 02 68 69。

     接下來再說說運行時常量池，由於運行時常量池在方法區中，我們可以通過jvm參數：-XX:PermSize、-XX:MaxPermSize來設定方法區大小，從而間接限制常量池大小。

     假設jvm啟動參數為：-XX:PermSize＝2M -XX:MaxPermSize＝2M，然後運行如下代碼：

1 //保持引用，防止自動記憶體回收2 List<String> list = new ArrayList<String>();3         4 int i = 0;5         6 while(true){7     //通過intern方法向常量池中手動添加常量8     list.add(String.valueOf(i++).intern());9 }

     程式立刻會拋出：Exception in thread "main" java.lang.outOfMemoryError: PermGen space異常。PermGen space正是方法區，足以說明常量池在方法區中。

     在jdk8中，移除了方法區，轉而用Metaspace地區替代，所以我們需要使用新的jvm參數：-XX:MaxMetaspaceSize=2M，依然運行如上代碼，拋出：java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace異常。同理說明運行時常量池是劃分在Metaspace地區中。具體關於Metaspace地區的知識，請讀者自行搜尋。

     本文所有代碼均在jdk7、jdk8下測試通過，其他版本jdk可能會略有差異，請讀者自行探索。

     參考文獻：《深入理解java虛擬機器———jvm進階特性與最佳實務》

 

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