String 常量池和 String#intern()

String是Java基础的重要考点。可问的点多,而且很多点可以横向切到其他考点,或纵向深入JVM。

本文略过了String的基本内容,重点在于String#intern()。

String常量池

String常量可能会在两种时机进入常量池:

  1. 编译期:通过双引号声明的常量(包括显示声明静态编译优化后的常量,如”1”+”2”优化为常量”12”),在前端编译期将被静态的写入class文件中的“常量池”。该“常量池”会在类加载后被载入“内存中的常量池”,也就是我们平时所说的常量池。同时,JIT优化也可能产生类似的常量。
  • 运行期:调用String#intern()方法,可能将该String对象动态的写入上述“内存中常量池”。

时机1的行为是明确的。原理可阅读class文件结构、类加载、编译期即运行期优化等内容。

时机2在jdk6和jdk7中的行为不同,下面讨论。

String#intern()

读者可直接阅读参考资料。下述总结仅为了猴子自己复习方便。

声明

/** 
 * Returns a canonical representation for the string object. 
 * <p> 
 * A pool of strings, initially empty, is maintained privately by the 
 * class <code>String</code>. 
 * <p> 
 * When the intern method is invoked, if the pool already contains a 
 * string equal to this <code>String</code> object as determined by 
 * the {@link #equals(Object)} method, then the string from the pool is 
 * returned. Otherwise, this <code>String</code> object is added to the 
 * pool and a reference to this <code>String</code> object is returned. 
 * <p> 
 * It follows that for any two strings <code>s</code> and <code>t</code>, 
 * <code>s.intern() == t.intern()</code> is <code>true</code> 
 * if and only if <code>s.equals(t)</code> is <code>true</code>. 
 * <p> 
 * All literal strings and string-valued constant expressions are 
 * interned. String literals are defined in section 3.10.5 of the 
 * <cite>The Java™ Language Specification</cite>. 
 * 
 * @return  a string that has the same contents as this string, but is 
 *          guaranteed to be from a pool of unique strings. 
 */  
public native String intern();

String#intern()是一个native方法。根据Javadoc,如果常量池中存在当前字符串, 就会直接返回当前字符串. 如果常量池中没有此字符串, 会将此字符串放入常量池中后, 再返回。

实现原理

JNI最后调用了c++实现的StringTable::intern()方法:

oop StringTable::intern(Handle string_or_null, jchar* name,  
                        int len, TRAPS) {  
  unsigned int hashValue = java_lang_String::hash_string(name, len);  
  int index = the_table()->hash_to_index(hashValue);  
  oop string = the_table()->lookup(index, name, len, hashValue);  
  // Found  
  if (string != NULL) return string;  
  // Otherwise, add to symbol to table  
  return the_table()->basic_add(index, string_or_null, name, len,  
                                hashValue, CHECK_NULL);  
}
oop StringTable::lookup(int index, jchar* name,  
                        int len, unsigned int hash) {  
  for (HashtableEntry<oop>* l = bucket(index); l != NULL; l = l->next()) {  
    if (l->hash() == hash) {  
      if (java_lang_String::equals(l->literal(), name, len)) {  
        return l->literal();  
      }  
    }  
  }  
  return NULL;  
}

在the_table()返回的hash表中查找字符串,如果存在就返回,否则加入表。

StringTable是一个固定大小的Hashtable,默认大小是1009。基本逻辑与Java中HashMap相同,也使用拉链法解决碰撞问题。

既然是拉链法,那么如果放进的String非常多,就会加剧碰撞,导致链表非常长。最坏情况下,String#intern()的性能由O(1)退化到O(n)。

  • jdk6中StringTable的长度固定为1009。
  • jdk7中,StringTable的长度可以通过一个参数-XX:StringTableSize指定,默认1009。

jdk6和jdk7下String#intern()的区别

引言

相信很多Java程序员都做类似String s = new String("abc");这个语句创建了几个对象的题目。这种题目主要是为了考察程序员对字符串对象常量池的掌握。上述的语句中创建了2个对象:

  • 第一个对象,内容”abc”,存储在常量池中。
  • 第二个对象,内容”abc”,存储在堆中。

问题

来看一段代码:

public static void main(String[] args) {
    String s = new String("1");
    s.intern();
    String s2 = "1";
    System.out.println(s == s2);
    String s3 = new String("1") + new String("1");
    s3.intern();
    String s4 = "11";
    System.out.println(s3 == s4);
}

打印结果:

# jdk6下
false false
# jdk7下
false true

具体为什么稍后再解释,然后将s3.intern();语句下调一行,放到String s4 = "11";后面。将s.intern();放到String s2 = "1";后面:

public static void main(String[] args) {
    String s = new String("1");
    String s2 = "1";
    s.intern();
    System.out.println(s == s2);
    String s3 = new String("1") + new String("1");
    String s4 = "11";
    s3.intern();
    System.out.println(s3 == s4);
}

打印结果:

# jdk6下
false false
# jdk7下
false false

jdk6的解释

注:图中绿色线条代表String对象的内容指向;黑色线条代表地址指向。

jdk6中,上述的所有打印都是false。

因为jdk6的常量池放在Perm区中,和正常的Heap(指Eden、Surviver、Old区)完全分开。具体来说:使用引号声明的字符串都是通过编译和类加载直接载入常量池,位于Perm区;new出来的String对象位于Heap(E、S、O)中。拿一个Perm区的对象地址和Heap中的对象地址进行比较,肯定是不相同的。

Perm区主要存储一些加载类的信息、静态变量、方法片段、常量池等。

jdk7的解释

在jdk6及之前的版本中,字符串常量池都是放在Perm区的。Perm区的默认大小只有4M,如果多放一些大字符串,很容易抛出OutOfMemoryError: PermGen space

因此,jdk7已经将字符串常量池从Perm区移到正常的Heap(E、S、O)中了。

Perm区即永久代。本身用永久代实现方法区就容易遇到内存溢出;而且方法区存放的内容也很难估计大小,没必要放在堆中管理。jdk8已经取消了永久代,在堆外新建了一个Metaspace实现方法区。

正是因为字符串常量池移到了Heap中,才产生了上述变化。

第一段代码

jdk7代码-1

先看s3和s4:

  • 首先,String s3 = new String("1") + new String("1");,生成了多个对象,s3最终指向堆中的”11”。注意,此时常量池中是没有字符串”11”的。
  • 然后,s3.intern();,将s3中的字符串”11”放入了常量池中,因为此时常量池中不存在字符串”11”,因此常规做法与跟jdk6相同,在常量池中生成一个String对象”11”——然而,jdk7中常量池不在Perm区中了,相应做了调整:常量池中不需要再存储一份对象了,而是直接存储堆中的引用,也就是s3的引用地址。
  • 接下来,String s4 = "11";,”11”通过双引号显示声明,因此会直接去常量池中查找,如果没有再创建。发现已经有这个字符串了,也就是刚才通过s3.intern();存储在常量池中的s3的引用地址。于是,直接返回s3的引用地址,s4赋值为s3的引用,s4指向堆中的”11”。
  • 最后,s3、s4指向的堆中的”11”,常量池中存储s3的引用,满足s3 == s4

再看s和s2:

  • 首先,String s = new String("1");,生成了2个对象,常量池中的”1”和堆中的”1”,s指向堆中的”1”。
  • 然后,s.intern();,上一句已经在常量池中创建了”1”,所以此处什么都不做。
  • 接下来,,String s2 = "1";,常量池中有”1”,因此,s2直接指向常量池中的”1”。
  • 最后,s指向的堆中的”1”,s2指向常量池中的”1”,常量池中存储字符串”1”,不满足s == s2

第二段代码

jdk7代码-2

先看s3和s4,将s3.intern();放在了String s4 = "11";后:

  • 先执行String s4 = "11";,此时,常量池中不存在”11”,因此,将”11”放入常量池,然后s4指向常量池中的”11”。
  • 再执行s3.intern();,上一句已经在常量池中创建了”11”,所以此处什么都不做。
  • 最后,s3仍指向的堆中的”11”,s4指向常量池中的”11”,常量池中存储字符串”11”,不再满足s3 == s4

再看s和s2,将s.intern();放到String s2 = "1";后:

  • 先执行String s2 = "1";,之前已通过String s = new String("1");在常量池中创建了”1”,因此,s2直接指向常量池中的”1”。
  • 再执行s.intern();,常量池中有”1”,所以此处什么都不做。
  • 最后,s指向的堆中的”1”,s2指向常量池中的”1”,常量池中存储字符串”1”,仍不满足s == s2

区别小结

jdk7与jdk6相比,对String常量池的位置、String#intern()的语义都做了修改:

  • 将String常量池从Perm区移到了Heap区。
  • 调用String#intern()方法时,堆中有该字符串而常量池中没有,则直接在常量池中保存堆中对象的引用,而不会在常量池中重新创建对象。

使用姿势

建议直接阅读参考资料。

额外的问题

String#intern()的基本用法如下:

String s1 = xxx1.toString().intern();
String s2 = xxx2.toString().intern();
assert s1 == s2;

然而,xxx1.toString()xxx2.toString()已经创建了两个匿名String对象,这之后再调用String#intern()。那么,这两个匿名对象去哪了?

估计猴子对创建对象的过程理解有问题,或许xxx1.toString()返回时还没有将对象保存到堆上?或许String#intern()上做了什么语法糖?

后面有时间再解决吧。。。


参考:



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1 条评论

  1. imok 说道:

    两段代码,在jdk8下执行 得出都是 false false ,是否在jdk8中 intern()语义有改变

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