深入Java源碼剖析之字元串常量

2020 年 2 月 14 日
筆記

字元串在Java生產開發中的使用頻率是非常高的，可見，字元串對於我們而言非常關鍵。那麼從C語言過來的同學會發現，在C中是沒有String類型的，那麼C語言要想實現字元串就必須使用char數組，通過一個個的字元來組拼成字元串。

Java中是如何實現字元串的

那其實在Java中，關於字元串的實現，其實用的也是char數組，這可以從源碼中得到體現。

/**       * Initializes a newly created {@code String} object so that it represents       * the same sequence of characters as the argument; in other words, the       * newly created string is a copy of the argument string. Unless an       * explicit copy of {@code original} is needed, use of this constructor is       * unnecessary since Strings are immutable.       *       * @param  original       *         A {@code String}       */      public String(String original) {          this.value = original.value;          this.hash = original.hash;      }

這是String類的構造方法，而這個value實際上就是char數組。

/** The value is used for character storage. */      private final char value[];

字元串在記憶體中的保存方式

我們都知道如何去創建一個字元串，那麼，字元串在記憶體中的保存方式是怎樣的呢？在記憶體中有一個區域叫做常量池，而當我們以這樣的方式去創建字元串：

String s1 = "abc";  String s2 = "abc";

這個字元串就一定會被保存到常量池中。而Java虛擬機如果發現常量池中已經存在需要創建的字元串中，它就不會重複創建，而是指向那個字元串即可。

String s1 = "abc";  String s2 = "abc";  System.out.println(s1 == s2);

所以上述程式碼段的執行結果一定是true。但是如果使用new關鍵字區創建字元串，過程就不太一樣了。比如下面的聲明：

String s3 = new String("abc");  String s4 = new String("abc");

過程是這樣的：首先將abc保存在常量池中，此時並沒有引用，然後new關鍵字會去創建一個字元串對象，就會在堆記憶體中創建abc，然後s3變數指向abc。當執行第二句聲明時，因為常量池中已經存在abc，所以不會重複創建，而new關鍵字又會去堆記憶體開闢空間存放abc，然後s4變數指向abc。

String s3 = new String("abc");  String s4 = new String("abc");  System.out.println(s3 == s4);

所以上述程式碼段的執行結果一定是false。

字元串駐留

當相同的字元串常量被多次創建時，注意是使用雙引號(" ")顯式聲明時，字元串常量對象會被保存在常量池中，且只會創建一個對象，這就是字元串駐留，這個名詞的產生就是為了提升性能。簡單提一下，字元串中有一個方法叫做intern()；那麼這個方法有什麼作用呢？該方法會去常量池中尋找當前調用該方法的字元串常量，若找到，則直接返回該字元串對象，若沒有，則將當前字元串放入常量池並返回，總之該方法一定會返回字元串。

String s3 = new String("abc");  String s4 = new String("abc");  System.out.println(s3.intern() == s4.intern());

所以上述程式碼段的執行結果一定是true，因為字元串駐留只允許常量池中一個相同字元串的存在。

JVM記憶體結構

剛才一直在說常量池，那麼常量池具體在哪呢？這就要來研究一下JVM的記憶體結構。 JVM分為堆、棧、方法區，棧又分為本地方法棧和Java棧。

在Java7之前常量池就放在方法區里，而從Java7開始，常量池被移到了堆。這樣說過於抽象，我們可以通過程式碼來感受這一過程。

String s1 = new String("hello") + new String("world");  String s2 = "helloworld";  System.out.println(s1 == s2);

上述程式段的執行結果一定是false。因為s1變數在堆中，而s2變數在常量池中，兩者肯定不相同。那麼看下面這段程式碼，猜猜看結果是什麼？

String s1 = new String("hello") + new String("world");  System.out.println(s1.intern() == s1);

按照剛才的分析，intern()返回的一定是常量池裡的字元串，而s1變數在堆中，它們肯定是不一樣的，但運行結果竟然是true。那是不是就能解釋常量池在堆中，所以它們指向的是同一個對象呢？其實還不完全是，我們可以繼續看一段程式碼。

String s1 = new String("hello") + new String("world");  System.out.println(s1.intern() == s1);  String s2 = new String("hello") + new String("world");  System.out.println(s2.intern() == s2);

這段程式碼的運行結果：

true  false

感覺很神奇，讓人猜不透，摸不著。別急，下面我們來一起分析一下。

通過這個圖來理解一下，首先第一行程式碼會在常量池中創建hello和world兩個字元串，接著在堆中開闢了一個空間存放組合後的字元串helloworld，然後變數s1指向它。我們說intern()會返回常量池中的字元串，那麼在常量池中沒有helloworld的情況下intern()方法會怎樣處理呢？其實它會將對堆中helloworld的引用放入常量池中，此時s1.intern()和s1都指向的是同一個對象，它們是相等的。但是s2在創建的過程中也會在堆中開闢一個空間存放helloworld，使變數s2指向它，而s2.intern()方法在執行的時候發現，helloworld的引用已經存在，所以直接返回，但此時返回的其實是s1變數的引用，那麼s2.intern()與s2不相等相信大家能夠理解了。

String s1 = new String("hello") + new String("world");  System.out.println(s1.intern() == s1);  String s2 = new String("hello") + new String("world");  System.out.println(s2.intern() == s1);

那麼這段程式的輸出結果你若是能立馬知曉，那麼恭喜你，前面的知識點你已基本掌握。執行結果就是：

true  true

我們還可以通過一個極端的方法來判斷常量池的位置。

List list = new ArrayList();  String str = "boom";  for(int i = 0;i < Integer.MAX_VALUE;i++) {  	String temp = str + i;  	str = temp;  	list.add(temp.intern());  }

通過編寫這一段程式能夠讓JVM去不停地將字元串變數存入常量池從而使其記憶體溢出，記憶體溢出後控制台資訊如下：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space  	at java.util.Arrays.copyOfRange(Arrays.java:2694)  	at java.lang.String.<init>(String.java:203)  	at java.lang.StringBuilder.toString(StringBuilder.java:405)  	at com.itcast.test2.StringTest.main(StringTest.java:25)

可以看到，控制台資訊提示堆記憶體溢出，這也可以得出常量池的位置是在堆內。這是Java7及其以後版本的輸出資訊，當我們將版本切換為Java7之前的版本，同樣的程式碼，輸出資訊如下：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space  	at java.util.Arrays.copyOfRange(Arrays.java:2694)  	at java.lang.String.<init>(String.java:203)  	at java.lang.StringBuilder.toString(StringBuilder.java:405)  	at com.itcast.test2.StringTest.main(StringTest.java:25)

PermGen space其實就是方法區，那麼其實在JVM中的堆，一般分為三大部分：新生代、老年代、永久代：這個PermGen space就是永久代，也就是方法區，叫法不同而已。

其它問題

繼續來探討一下關於字元串常量的一些其它問題。

String s1 = "hello" + "world";  String s2 = "helloworld";  System.out.println(s1 == s2);    String temp = "hello";  String s3 = temp + "world";  String s4 = "helloworld";  System.out.println(s3 == s4);

那麼，這兩個輸出的結果是什麼呢？結果是：

true  false

第一個輸出為true不難理解，因為s1和s2指向的都是常量池中的helloworld字元串，那麼s3和s4難道就不是嗎？它還真就不是這樣了。s3在創建過程中會將temp保存在堆記憶體中，所以s3和s4指向的對象不是同一個。我們可以通過反編譯來證實，將這段程式碼的.class文件進行反編譯，結果如下：

String s1 = "helloworld";  String s2 = "helloworld";  System.out.println(s1 == s2);    String temp = "hello";  String s3 = String.valueOf(temp) + "world";  String s4 = "helloworld";  System.out.println(s3 == s4);

我們可以看到，s1和s2的創建過程其實是一模一樣的，其實，JVM為了優化速度，當它確定是兩個字元串常量進行拼接時，它會在編譯器就完成拼接，而並不會去創建對象處理，但是s3的創建要經過temp變數，因為JVM無法在編譯期就推測出temp，所以它要通過String對象來進行處理，將temp放入堆記憶體。所以，並不是說只有出現new關鍵字變數才會放入堆記憶體中。

希望這篇文章能夠使你更加深入地理解字元串常量。