举一个有趣的例子，让你轻松搞懂JVM内存管理

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前言

在JAVA虚拟机内存管理中，堆、栈、方法区、常量池等概念经常被提到，对理论知识的理解也常常停留在字面意思上，比如说堆内存中存放对象，栈内存中存放局部变量，常量池中存放字符串常量表等，本篇文章通过一个有趣的例子，尽量将这些理论概念通过程序样例及图解的方式表达清楚，让我们更能深入底层知识。

例子

源码
  • StringJvm类中定义了一个CONST_STRING字符串常量，并赋值”Hello World”；
  • main方法定义String类型的str1，str2变量,两个变量都赋值”Hello World”；
  • 比较一下str1和str2的地址值是否相等 ；
  • new 一个String类型的str3,并通过构造函数初始化值为”Hello World”;
  • 比较一下str3和str3的地址值是否相等。
/**
 * 理解JVM--堆内存中的对象
 * @author zhuhuix
 * @date 2020-05-19
 *
 */
public class StringJvm {
    public  static final String  CONST_STRING="Hello World";

    public static void main(String[] args) {

        String str1 =CONST_STRING;
        String str2 =CONST_STRING;
        System.out.println("str1==str2: "+ (str1 == str2));
		System.out.println("str1==CONST_STRING: "+ (str1 == CONST_STRING));
		 
        String str3 =new String(CONST_STRING);
        System.out.println("str3==str1: "+(str3 == str1));
    }
}
输出

先说两个比较结果：

  1. str1的地址值等于str2的地址值
  2. str1的地址值等于CONST_STRING的地址值
  3. str3的地址值不等于str1地址值,即也不等于str2值
    在这里插入图片描述
图解

有些同学有可能会有疑问，明明四个字符串的值都是“Hello World”,地址值却有相等 ，也有不相等的，这里就会引入JVM的堆内存、栈内存，常量池的一些基本概念，我们直接上图再讲解说明：
在这里插入图片描述

  1. 定义静态常量CONST_STRING放入方法区；赋值时，JVM会在字符串常量池中放入”Hello World”字符串供共享使用，并将内存地址赋给静态常量。
  2. 定义str1变量并给该字符串赋值时，JVM首先会在字符串常量池中寻找字符串值相同的内存地址，并将该内存地址赋值str1变量。所以在程序中打印输出str1变量的地址值是否等 于静态常量CONST_STRING的地址值时，得到的结果是True.
  3. 定义str2变量时按以上2过程同样处理,也即str2的地址值等于CONST_STRING和str1的地址值。
  4. 在定义str3变量时，采用了强制new一个对象及构造方法传值方式处理，我们知道new一个对象，一定会在堆中分配内存给该对象，也即str3的地址值引用在堆内存中，所以str3的地址值肯定不等于str1的地址值。
深入分析

以上的图解只是JVM的理论上解释了为什么有些地址值相等，有些地址值不等，接下来我们创建一个获取地址值的工具类，来验证以上的理论知识。

首先我们利用Java中的Unsafe类创建一个工具类及静态方法，模仿C++手动管理内存的能力来获取对象的实际地址值。


/**
 * 获取JVM object的内存地址
 * @author zhuhuix
 * @date 2020-05-19
 *
 */
public class ObjectAddress {
    private static Unsafe unsafe;

    static
    {
        try
        {
            Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            field.setAccessible(true);
            unsafe = (Unsafe)field.get(null);
        }
        catch (Exception e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static long addressOf(Object o) {
        Object[] array = new Object[] {o};

        long baseOffset = unsafe.arrayBaseOffset(Object[].class);
        int addressSize = unsafe.addressSize();
        long objectAddress;
        switch (addressSize)
        {
            case 4:
                objectAddress = unsafe.getInt(array, baseOffset);
                break;
            case 8:
                objectAddress = unsafe.getLong(array, baseOffset);
                break;
            default:
                throw new Error("unsupported address size: " + addressSize);
        }

        return(objectAddress);
    }

接下来改造一下原来的程序：

/**
 * 理解JVM--堆内存中的对象
 * @author zhuhuix
 * @date 2020-05-19
 *
 */
public class StringJvm {
    public  static final String  CONST_STRING="Hello World";

    public static void main(String[] args) {

       System.out.println( "CONST_STRING的地址值："+ObjectAddress.addressOf(CONST_STRING));

        String str1 =CONST_STRING;
        String str2 =CONST_STRING;
        System.out.println( "str1的地址值 ："+ObjectAddress.addressOf(str1));
        System.out.println("str1==str2: "+ (str1 == str2));
        System.out.println("str1==CONST_STRING: "+ (str1 == CONST_STRING));

        String str3 =new String(CONST_STRING);
        System.out.println("str3的地址值 :"+ ObjectAddress.addressOf(str3));
        System.out.println("str3==str1: "+(str3 == str1));

    }
}

输出结果如下：
这里我们实际看到了对象的实际地址值，静态常量CONST_STRING的地址值等于str1的地址值；str3的地址值不等于str1的地址值。
在这里插入图片描述

学以致用

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，也就是说，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，运行期间也可以将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的intern()方法。

我们看下上面这段话，JVM告诉我们常量池有动态的特性，利用String类的intern()方法能够将当前String对象与常量池动态绑定起来。为了更好理解，我们再改造一下例子：

/**
 * 理解JVM--堆内存中的对象
 * @author zhuhuix
 * @date 2020-05-19
 *
 */
public class StringJvm {
    public  static final String  CONST_STRING="Hello World";

    public static void main(String[] args) {

       System.out.println( "CONST_STRING的地址值："+ObjectAddress.addressOf(CONST_STRING));

        String str1 =CONST_STRING;
        String str2 =CONST_STRING;
        System.out.println( "str1的地址值 ："+ObjectAddress.addressOf(str1));
        System.out.println("str1==str2: "+ (str1 == str2));
        System.out.println("str1==CONST_STRING: "+ (str1 == CONST_STRING));

        String str3 =new String(CONST_STRING);
        System.out.println("str3 new String的地址值 :"+ ObjectAddress.addressOf(str3));
        System.out.println("str3==str1: "+(str3 == str1));
		//通过intern方法在程序运行运程中与常量池进行动态绑定
        str3=str3.intern();
        System.out.println("str3.intern()的地址值 :"+ ObjectAddress.addressOf(str3));

        System.out.println("str3.intern()后==str1: "+(str3 == str1));
    }
}

看下输出结果：我们发现利用此方法str3的地址值与str1地址一致了，也就是说str3也指向了常量池中初始的内存分配地址。
在这里插入图片描述
把以上改造后的代码，再用这张图说明就一清二楚了。
在这里插入图片描述

写在最后

JVM的架构设计是非常精妙的，需要深入底层进行剖析；在对系统架构的学习过程中，结合原理动手写样例代码，画原型图是我们学习路上必不可少的一步。

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