在Java虛擬機器中，字串常量到底存放在哪

廣州蘆葦科技Java開發團隊發表於2019-01-15
Java虛擬機字串

前言

前陣子和朋友討論一個問題： 字串常量歸常量池管理，那比如 String str = "abc"; "abc"這個物件是放在記憶體中的哪個位置，是字串常量池中還是堆？

”這句程式碼的abc當然在常量池中，只有new String("abc")這個物件才在堆中建立“，他們大概是這麼回答。

“abc”這個東西，是放在常量池中，這個答案是錯誤的。

字串“abc"的本體、例項，應該是存在於Java堆中。

可能還真的有部分同學對這個知識點不熟悉，今天和大家聊聊字串這個問題 ~

初學Java時，學到字串這一部分，有一段程式碼

String str1 = "hello";
String str2 = new String("hello"); 
複製程式碼

書上的解釋是：執行第一行的時候，已經把"hello"字串放到了常量池中，執行第二行程式碼時，會將常量池中已經存在的"hello"複製一份到堆記憶體中，建立一個的新的String物件。雖然值一樣，但他們是不同的物件。

當時看完這個解釋，我產生了很多疑惑。因為在此之前已經知道字串的底層是char陣列實現的。我很疑惑：

  • 他copy一份過去，是copy了char陣列呢？
  • 還是copy整個String物件？
  • "hello" 這個物件例項真的存放在常量池中嗎？

當時在網上搜了一些文章和答案，各有說辭，大部分回答都是 "str" 這個物件在常量池中，但也有認為字串常量例項（或叫物件）是在堆中建立，只是將其引用放到字串常量池中，交給常量池管理。

JAVA記憶體區域 — 執行時資料區

理清這個問題前，需要梳理一下前置知識。

從一個經典的示意圖講起，以hotspot虛擬機器為例，此記憶體模型需建立在JDK1.7之前的版本來討論，JDK1.7之後有所改變，但是原理還是一樣的。

在Java虛擬機器中，字串常量到底存放在哪

Java虛擬機器管理的記憶體是執行時資料區那一部分，簡單概括一下其中各個區域的區別：

  • 虛擬機器棧：執行緒私有，生命週期與執行緒相同，即每條執行緒都一個獨立的棧（VM Stack）。每個方法執行時都會建立一個棧幀，也就是說，當有一條執行緒執行了多個方法時，就會有一個棧，棧中有多個棧幀。

  • 本地方法棧：執行緒私有

  • 程式計數器：執行緒私有

  • 堆Heap：執行緒共享，是Java虛擬機器所管理的記憶體中最大的一塊，在虛擬機器啟動時建立。此記憶體區域的唯一目的就是存放物件例項，幾乎所有的物件例項都在這裡分配記憶體。在Java虛擬機器規範中的描述是：所有的物件例項以及陣列都要在堆上分配。 ** （原文：The heap is the runtime data area from which memory for all class instances and arrays is allocated） 但有特殊情況，隨著JIT編譯器的發展，逃逸分析和標量替換技術的逐漸成熟，物件也可以在棧上**分配。另外，雖說堆是執行緒共享，但其中也可以劃分出多個執行緒私有的分配緩衝區*（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）*。

  • 方法區：執行緒共享，它用於儲存已被虛擬機器載入的類資訊、常量、靜態變數、即時編譯器編譯後的程式碼等資料。

JAVA的三種常量池

此外，Java有三種常量池，即字串常量池（又叫全域性字串池）、class檔案常量池、執行時常量池。

（圖一）

1. 字串常量池（也叫全域性字串池、string pool、string literal pool）

字串常量池在每個VM中只有一份，他在記憶體中的位置如圖，紅色箭頭所指向的區域 Interned Strings

2. 執行時常量池（runtime constant pool）

當程式執行到某個類時，class檔案中的資訊就會被解析到記憶體的方法區裡的執行時常量池中。看圖可清晰感知到每一個類被載入進來都會產生一個執行時常量池，由此可知，每個類都有一個執行時常量池。它在記憶體中的位置如圖，藍色箭頭所指向的區域，方法區中的Class Date中的執行時常量池（Run-Time Constant Pool）

（圖二）

3. class檔案常量池（class constant pool）

class常量池是在編譯後每個class檔案都有的，class檔案中除了包含類的版本、欄位、方法、介面等描述資訊外，還有一項資訊就是 常量池*（constant pool table）*，用於存放編譯器生成的各種字面量（Literal）和符號引用（Symbolic References）。*字面量就是我們所說的常量概念，如文字字串、被宣告為final的常量值等。*他在class檔案中的位置如上圖所示，Constant Pool 中。

個人理解

public static void main(String[] args) {
	String str = "hello";
}
複製程式碼

回到一開始說到的這句程式碼，可以來總結一下它的執行過程了。

  1. 首先，字面量 "hello" 在編譯期，就會被記錄在 class檔案的 class常量池中。
  2. 而當 class檔案被載入到記憶體中後，JVM就會將 class常量池中的大部分內容存放到執行時常量池中，但是字串 "hello" 的本體（物件）和其他所有物件一樣，是會在堆中建立，再將引用放到字串常量池，也就是圖一的 Interned Strings的位置。（RednaxelaFX 的文章裡，測試結果是在新生代的Eden區。但因為一直有一個引用駐留在字串常量池，所以不會被GC清理掉）
  3. 而到了String str = "hello" 這步，JVM會去字串常量池中找，如果找到了，JVM會在棧中的區域性變數表裡建立str變數，然後把字串常量池中的（hello 物件的）引用複製給 str 變數。

在《深入理解Java虛擬機器》這本書中也有字串相關的解釋，舉其中幾個例子：

例子1

（原文）執行時常量池（Runtime Constant Pool）是方法區的一部分。Class檔案中除了有類的版本、欄位、方法、介面等描述資訊外，還有一項資訊是常量池（Constant Pool Table），用於存放編譯期生成的各種字面量和符號引用，這部分內容將在類載入後進入方法區的執行時常量池中存放。

最後一句描述不太準確，編譯期生成的各種字面量並不是全部進入方法區的執行時常量池中。字串字面量就不進入執行時常量池，而是在堆中建立了物件，再將引用駐留到字串常量池中。

例子2

//程式碼清單2-7 String.intern（）返回引用的測試

public class RuntimeConstantPoolOOM{

	public static void main（String[]args）{
		String str1=new StringBuilder（"計算機"）.append（"軟體"）.toString（）；
		System.out.println（str1.intern（）==str1）；
		String str2=new StringBuilder（"ja"）.append（"va"）.toString（）；
		System.out.println（str2.intern（）==str2）；
	}
}
複製程式碼

（原文）這段程式碼在JDK 1.6中執行，會得到兩個false，而在JDK 1.7中執行，會得到一個true和一個false。產生差異的原因是：在JDK 1.6中，intern（）方法會把首次遇到的字串例項複製到永久代中，返回的也是永久代中這個字串例項的引用，而由StringBuilder建立的字串例項在Java堆上，所以必然不是同一個引用，將返回false。而JDK 1.7（以及部分其他虛擬機器，例如JRockit）的intern（）實現不會再複製例項，只是在常量池中記錄首次出現的例項引用，因此intern（）返回的引用和由StringBuilder建立的那個字串例項是同一個。對str2比較返回false是因為 “java” 這個字串在執行StringBuilder.toString（）之前已經出現過，字串常量池中已經有它的引用了，不符合“首次出現”的原則，而“計算機軟體”這個字串則是首次出現的，因此返回true。

原文解釋也不太準確，我覺得在 JDK 1.6中，intern（）並不會把首次遇到的字串例項複製到永久代中，而是會將例項再複製一份到堆（heap）中，然後將其引用放入字串常量池中進行管理，所以此程式碼返回false。而JDK1.7中的intern（）不會再複製例項，直接將首次遇到的此字串例項的引用，放入字串常量池，於是返回true。關於此觀點，還沒看到大神文章實錘，歡迎討論。

最後再延伸一點，大家都知道，字串的value是final修飾的char陣列，那麼以下這段程式碼：

// private final char value[];
String str1 = "hello world";
String str2 = new String("hello world");
String str3 = new String("hello world");
複製程式碼

str1、str2、str3 三個變數所指向的都是不同的物件。（str1 != str2 != str3）

那麼，這三個物件裡的char陣列是否是同一個陣列？相信大家都有答案了。

此文所討論的Java記憶體模型是建立在JDK1.7之前。JDK 7開始 Hotspot 虛擬機器把字串常量池（Interned String位置）從永久代（PermGen）挪到Heap堆，JDK 8又徹底取消 PermGen，把諸如class之類的後設資料都挪到GC堆之外管理。但不管怎樣，基本原理還是不變的，字面量 ”hello“ 等依舊不是放在 Interned String 中。

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隆鵬

廣州蘆葦科技Java開發團隊

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