深入浅出 java 常量池

本贴最后更新于 2344 天前,其中的信息可能已经沧海桑田

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。
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。这种常量池主要用于存放两大类常量:字面量(Literal)和符号引用量(Symbolic References),字面量相当于 Java 语言层面常量的概念,如文本字符串,声明为 final 的常量值等,符号引用则属于编译原理方面的概念,包括了如下三种类型的常量:

  • 类和接口的全限定名
  • 字段名称和描述符
  • 方法名称和描述符

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。

运行时常量池相对于 CLass 文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性,Java 语言并不要求常量一定只有编译期才能产生,也就是并非预置入 CLass 文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池,运行期间也可能将新的常量放入池中,这种特性被开发人员利用比较多的就是**String 类的 intern()**方法。

String 的 intern()方法会查找在常量池中是否存在一份 equal 相等的字符串,如果有则返回该字符串的引用,如果没有则添加自己的字符串进入常量池。

常量池的好处

常量池是为了避免频繁的创建和销毁对象而影响系统性能,其实现了对象的共享。
例如字符串常量池,在编译阶段就把所有的字符串文字放到一个常量池中。

(1)节省内存空间:常量池中所有相同的字符串常量被合并,只占用一个空间。
(2)节省运行时间:比较字符串时,==比 equals()快。对于两个引用变量,只用==判断引用是否相等,也就可以判断实际值是否相等。

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。


String s1 = "Hello";
String s2 = "Hello";
String s3 = "Hel" + "lo";
String s4 = "Hel" + new String("lo");
String s5 = new String("Hello");
String s6 = s5.intern();
String s7 = "H";
String s8 = "ello";
String s9 = s7 + s8;
          
System.out.println(s1 == s2);  // true
System.out.println(s1 == s3);  // true
System.out.println(s1 == s4);  // false
System.out.println(s1 == s9);  // false
System.out.println(s4 == s5);  // false
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。只有使用引号包含文本的方式创建的 String 对象之间使用“+”连接产生的新对象才会被加入字符串池中。

  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。对于所有包含 new 方式新建对象(包括 null)的“+”连接表达式,它所产生的新对象都不会被加入字符串池中。
配上一张简图理清思路:

imagepng

  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,不能在编译期被确定,所以不做优化,只能等到运行时,在堆中创建 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。

imagepng

  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。

  • 特例 1

public static final String A = "ab"; // 常量A
public static final String B = "cd"; // 常量B
public static void main(String\[\] args) {
     String s = A + B;  // 将两个常量用+连接对s进行初始化 
     String t = "abcd"; if (s == t) {   
         System.out.println("s等于t,它们是同一个对象");   
     } else {   
         System.out.println("s不等于t,它们不是同一个对象");   
     }   
 } 
s等于t,它们是同一个对象

  A 和 B 都是常量,值是固定的,因此 s 的值也是固定的,它在类被编译时就已经确定了。也就是说:String s=A+B; 等同于:String s="ab"+"cd";

  • 特例 2

public static final String A; // 常量A
public static final String B;    // 常量B
static {   
     A = "ab";   
     B = "cd";   
 } public static void main(String\[\] args) { // 将两个常量用+连接对s进行初始化 
     String s = A + B;   
     String t = "abcd"; if (s == t) {   
         System.out.println("s等于t,它们是同一个对象");   
     } else {   
         System.out.println("s不等于t,它们不是同一个对象");   
     }   
 } 
s不等于t,它们不是同一个对象

  A 和 B 虽然被定义为常量,但是它们都没有马上被赋值。在运算出 s 的值之前,他们何时被赋值,以及被赋予什么样的值,都是个变数。因此 A 和 B 在被赋值之前,性质类似于一个变量。那么 s 就不能在编译期被确定,而只能在运行时被创建了。

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(java 中基本类型的包装类的大部分都实现了常量池技术,即 Byte,Short,Integer,Long,Character,Boolean_;_两种浮点数类型的包装类 Float,Double 并没有实现常量池技术) 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,(Byte,Short,Integer,Long,Character,Boolean)这 5 种包装类默认创建了数值[-128,127]的相应类型的缓存数据,但是超出此范围仍然会去创建新的对象。

  例如在自动装箱时,把 int 变成 Integer 的时候,是有规则的,当你的 int 的值在-128-IntegerCache.high(127) 时,返回的不是一个新 new 出来的 Integer 对象,而是一个已经缓存在堆 中的 Integer 对象,(我们可以这样理解,系统已经把-128 到 127 之 间的 Integer 缓存到一个 Integer 数组中去了,如果你要把一个 int 变成一个 Integer 对象,首先去缓存中找,找到的话直接返回引用给你就 行了,不必再新 new 一个),如果不在-128-IntegerCache.high(127) 时会返回一个新 new 出来的 Integer 对象。

  • Java

    Java 是一种可以撰写跨平台应用软件的面向对象的程序设计语言,是由 Sun Microsystems 公司于 1995 年 5 月推出的。Java 技术具有卓越的通用性、高效性、平台移植性和安全性。

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  • 常量池
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