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在Java虚拟机中,字符串常量到底存放在哪

前言

前阵子和朋友讨论一个问题: 字符串常量归常量池管理,那比如 String str = "abc"; "abc"这个对象是放在内存中的哪个位置,是字符串常量池中还是堆?

”这句代码的abc当然在常量池中,只有new String("abc")这个对象才在堆中创建“,他们大概是这么回答。

“abc”这个东西,是放在常量池中,这个答案是错误的。

字符串“abc"的本体、实例,应该是存在于Java堆中。

可能还真的有部分同学对这个知识点不熟悉,今天和大家聊聊字符串这个问题 ~

初学Java时,学到字符串这一部分,有一段代码

String str1 = "hello";
String str2 = new String("hello"); 
复制代码

书上的解释是:执行第一行的时候,已经把"hello"字符串放到了常量池中,执行第二行代码时,会将常量池中已经存在的"hello"复制一份到堆内存中,创建一个的新的String对象。虽然值一样,但他们是不同的对象。

当时看完这个解释,我产生了很多疑惑。因为在此之前已经知道字符串的底层是char数组实现的。我很疑惑:

  • 他copy一份过去,是copy了char数组呢?
  • 还是copy整个String对象?
  • "hello" 这个对象实例真的存放在常量池中吗?

当时在网上搜了一些文章和答案,各有说辞,大部分回答都是 "str" 这个对象在常量池中,但也有认为字符串常量实例(或叫对象)是在堆中创建,只是将其引用放到字符串常量池中,交给常量池管理。

JAVA内存区域 — 运行时数据区

理清这个问题前,需要梳理一下前置知识。

从一个经典的示意图讲起,以hotspot虚拟机为例,此内存模型需建立在JDK1.7之前的版本来讨论,JDK1.7之后有所改变,但是原理还是一样的。

Java虚拟机管理的内存是运行时数据区那一部分,简单概括一下其中各个区域的区别:

  • 虚拟机栈:线程私有,生命周期与线程相同,即每条线程都一个独立的栈(VM Stack)。每个方法执行时都会创建一个栈帧,也就是说,当有一条线程执行了多个方法时,就会有一个栈,栈中有多个栈帧。

  • 本地方法栈:线程私有

  • 程序计数器:线程私有

  • 堆Heap:线程共享,是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块,在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例,几乎所有的对象实例都在这里分配内存。在Java虚拟机规范中的描述是:所有的对象实例以及数组都要在堆上分配。 ** (原文:The heap is the runtime data area from which memory for all class instances and arrays is allocated) 但有特殊情况,随着JIT编译器的发展,逃逸分析和标量替换技术的逐渐成熟,对象也可以在栈上**分配。另外,虽说堆是线程共享,但其中也可以划分出多个线程私有的分配缓冲区*(Thread Local Allocation Buffer,TLAB)*。

  • 方法区:线程共享,它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

JAVA的三种常量池

此外,Java有三种常量池,即字符串常量池(又叫全局字符串池)、class文件常量池、运行时常量池

(图一)

1. 字符串常量池(也叫全局字符串池、string pool、string literal pool)

字符串常量池在每个VM中只有一份,他在内存中的位置如图,红色箭头所指向的区域 Interned Strings

2. 运行时常量池(runtime constant pool)

当程序运行到某个类时,class文件中的信息就会被解析到内存的方法区里的运行时常量池中。看图可清晰感知到每一个类被加载进来都会产生一个运行时常量池,由此可知,每个类都有一个运行时常量池。它在内存中的位置如图,蓝色箭头所指向的区域,方法区中的Class Date中的运行时常量池(Run-Time Constant Pool)

(图二)

3. class文件常量池(class constant pool)

class常量池是在编译后每个class文件都有的,class文件中除了包含类的版本、字段、方法、接口等描述信息外,还有一项信息就是 常量池*(constant pool table)*,用于存放编译器生成的各种字面量(Literal)和符号引用(Symbolic References)。*字面量就是我们所说的常量概念,如文本字符串、被声明为final的常量值等。*他在class文件中的位置如上图所示,Constant Pool 中。

个人理解

public static void main(String[] args) {
	String str = "hello";
}
复制代码

回到一开始说到的这句代码,可以来总结一下它的执行过程了。

  1. 首先,字面量 "hello" 在编译期,就会被记录在 class文件的 class常量池中。
  2. 而当 class文件被加载到内存中后,JVM就会将 class常量池中的大部分内容存放到运行时常量池中,但是字符串 "hello" 的本体(对象)和其他所有对象一样,是会在堆中创建再将引用放到字符串常量池,也就是图一的 Interned Strings的位置。(RednaxelaFX 的文章里,测试结果是在新生代的Eden区。但因为一直有一个引用驻留在字符串常量池,所以不会被GC清理掉)
  3. 而到了String str = "hello" 这步,JVM会去字符串常量池中找,如果找到了,JVM会在栈中的局部变量表里创建str变量,然后把字符串常量池中的(hello 对象的)引用复制给 str 变量。

在《深入理解Java虚拟机》这本书中也有字符串相关的解释,举其中几个例子:

例子1

(原文)运行时常量池(Runtime Constant Pool)是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外,还有一项信息是常量池(Constant Pool Table),用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用,这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

最后一句描述不太准确,编译期生成的各种字面量并不是全部进入方法区的运行时常量池中。字符串字面量就不进入运行时常量池,而是在堆中创建了对象再将引用驻留到字符串常量池中。

例子2

//代码清单2-7 String.intern()返回引用的测试

public class RuntimeConstantPoolOOM{

	public static void main(String[]args){
		String str1=new StringBuilder("计算机").append("软件").toString();
		System.out.println(str1.intern()==str1);
		String str2=new StringBuilder("ja").append("va").toString();
		System.out.println(str2.intern()==str2);
	}
}
复制代码

(原文)这段代码在JDK 1.6中运行,会得到两个false,而在JDK 1.7中运行,会得到一个true和一个false。产生差异的原因是:在JDK 1.6中,intern()方法会把首次遇到的字符串实例复制到永久代中,返回的也是永久代中这个字符串实例的引用,而由StringBuilder创建的字符串实例在Java堆上,所以必然不是同一个引用,将返回false。而JDK 1.7(以及部分其他虚拟机,例如JRockit)的intern()实现不会再复制实例,只是在常量池中记录首次出现的实例引用,因此intern()返回的引用和由StringBuilder创建的那个字符串实例是同一个。对str2比较返回false是因为 “java” 这个字符串在执行StringBuilder.toString()之前已经出现过,字符串常量池中已经有它的引用了,不符合“首次出现”的原则,而“计算机软件”这个字符串则是首次出现的,因此返回true。

原文解释也不太准确,我觉得在 JDK 1.6中,intern()并不会把首次遇到的字符串实例复制到永久代中,而是会将实例再复制一份到堆(heap)中,然后将其引用放入字符串常量池中进行管理,所以此代码返回false。而JDK1.7中的intern()不会再复制实例,直接将首次遇到的此字符串实例的引用,放入字符串常量池,于是返回true。关于此观点,还没看到大神文章实锤,欢迎讨论。

最后再延伸一点,大家都知道,字符串的value是final修饰的char数组,那么以下这段代码:

// private final char value[];
String str1 = "hello world";
String str2 = new String("hello world");
String str3 = new String("hello world");
复制代码

str1、str2、str3 三个变量所指向的都是不同的对象。(str1 != str2 != str3)

那么,这三个对象里的char数组是否是同一个数组?相信大家都有答案了。


此文所讨论的Java内存模型是建立在JDK1.7之前。JDK 7开始 Hotspot 虚拟机把字符串常量池(Interned String位置)从永久代(PermGen)挪到Heap堆,JDK 8又彻底取消 PermGen,把诸如class之类的元数据都挪到GC堆之外管理。但不管怎样,基本原理还是不变的,字面量 ”hello“ 等依旧不是放在 Interned String 中。


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隆鹏

广州芦苇科技Java开发团队

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