Part1背景

在 JAVA 語(yǔ)言中有8中基本類(lèi)型和一種比較特殊的類(lèi)型String。這些類(lèi)型為了使他們?cè)谶\(yùn)行過(guò)程中速度更快，更節(jié)省內(nèi)存，都提供了一種常量池的概念。常量池就類(lèi)似一個(gè)JAVA系統(tǒng)級(jí)別提供的緩存。

8種基本類(lèi)型的常量池都是系統(tǒng)協(xié)調(diào)的，String類(lèi)型的常量池比較特殊。它的主要使用方法有兩種：

• 直接使用雙引號(hào)聲明出來(lái)的String對(duì)象會(huì)直接存儲(chǔ)在常量池中。
• 如果不是用雙引號(hào)聲明的String對(duì)象，可以使用String提供的intern方法。intern 方法會(huì)從字符串常量池中查詢(xún)當(dāng)前字符串是否存在，若不存在就會(huì)將當(dāng)前字符串放入常量池中

Part2常量池是什么？

JVM常量池主要分為Class文件常量池、運(yùn)行時(shí)常量池，全局字符串常量池，以及基本類(lèi)型包裝類(lèi)對(duì)象常量池

方法區(qū)

• 方法區(qū)的作用是存儲(chǔ)Java類(lèi)的結(jié)構(gòu)信息，當(dāng)創(chuàng)建對(duì)象后，對(duì)象的類(lèi)型信息存儲(chǔ)在方法區(qū)中，實(shí)例數(shù)據(jù)存放在堆中。類(lèi)型信息是定義在Java代碼中的常量、靜態(tài)變量、以及類(lèi)中聲明的各種方法，方法字段等；實(shí)例數(shù)據(jù)則是在Java中創(chuàng)建的對(duì)象實(shí)例以及他們的值。
• 該區(qū)域進(jìn)行內(nèi)存回收的主要目的是對(duì)常量池的回收和對(duì)內(nèi)存數(shù)據(jù)的卸載；一般說(shuō)這個(gè)區(qū)域的內(nèi)存回收率比起Java堆低得多。

Class文件常量池

• class文件是一組以字節(jié)為單位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，在Java代碼的編譯期間，我們編寫(xiě)的Java文件就被編譯為.class文件格式的二進(jìn)制數(shù)據(jù)存放在磁盤(pán)中，其中就包括class文件常量池。
• class文件常量池主要存放兩大常量：字面量和符號(hào)引用。
• 字面量：字面量接近java語(yǔ)言層面的常量概念
• 文本字符串，也就是我們經(jīng)常申明的：public String s = "abc";中的"abc"
• 用final修飾的成員變量，包括靜態(tài)變量、實(shí)例變量和局部變量：public final static int f = 0x101;,final int temp = 3;
• 而對(duì)于基本類(lèi)型數(shù)據(jù)(甚至是方法中的局部變量)，如int value = 1常量池中只保留了他的的字段描述符int和字段的名稱(chēng)value，他們的字面量不會(huì)存在于常量池。
• 符號(hào)引用：符號(hào)引用主要設(shè)涉及編譯原理方面的概念
• 類(lèi)和接口的全限定名，也就是java/lang/String;這樣，將類(lèi)名中原來(lái)的".“替換為”/"得到的，主要用于在運(yùn)行時(shí)解析得到類(lèi)的直接引用
• 字段的名稱(chēng)和描述符，字段也就是類(lèi)或者接口中聲明的變量，包括類(lèi)級(jí)別變量和實(shí)例級(jí)的變量
• 方法中的名稱(chēng)和描述符，也即參數(shù)類(lèi)型+返回值附上原文出處鏈接及本聲明。

運(yùn)行時(shí)常量池

當(dāng)Java文件被編譯成class文件之后，會(huì)生成上面的class文件常量池，JVM在執(zhí)行某個(gè)類(lèi)的時(shí)候，必須經(jīng)過(guò)加載、鏈接（驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析）、初始化的步驟，運(yùn)行時(shí)常量池則是在JVM將類(lèi)加載到內(nèi)存后，就會(huì)將class常量池中的內(nèi)容存放到運(yùn)行時(shí)常量池中，也就是class常量池被加載到內(nèi)存之后的版本，是方法區(qū)的一部分。在解析階段，會(huì)把符號(hào)引用替換為直接引用，解析的過(guò)程會(huì)去查詢(xún)字符串常量池，也就StringTable，以保證運(yùn)行時(shí)常量池所引用的字符串與字符串常量池中是一致的。

運(yùn)行時(shí)常量池相對(duì)于class常量池一大特征就是具有動(dòng)態(tài)性，Java規(guī)范并不要求常量只能在運(yùn)行時(shí)才產(chǎn)生，也就是說(shuō)運(yùn)行時(shí)常量池的內(nèi)容并不全部來(lái)自class常量池，在運(yùn)行時(shí)可以通過(guò)代碼生成常量并將其放入運(yùn)行時(shí)常量池中，這種特性被用的最多的就是String.intern()。

字符串常量池

在JDK6.0及之前版本，字符串常量池存放在方法區(qū)中，在JDK7.0版本以后，字符串常量池被移到了堆中了。至于為什么移到堆內(nèi)，大概是由于方法區(qū)的內(nèi)存空間太小了。在HotSpot VM里實(shí)現(xiàn)的string pool功能的是一個(gè)StringTable類(lèi)，它是一個(gè)Hash表，默認(rèn)值大小長(zhǎng)度是1009；這個(gè)StringTable在每個(gè)HotSpot VM的實(shí)例只有一份，被所有的類(lèi)共享。字符串常量由一個(gè)一個(gè)字符組成，放在了StringTable上。

在JDK6.0中，StringTable的長(zhǎng)度是固定的，長(zhǎng)度就是1009，因此如果放入String Pool中的String非常多，就會(huì)造成hash沖突，導(dǎo)致鏈表過(guò)長(zhǎng)，當(dāng)調(diào)用String#intern()時(shí)會(huì)需要到鏈表上一個(gè)一個(gè)找，從而導(dǎo)致性能大幅度下降；在JDK7.0中，StringTable的長(zhǎng)度可以通過(guò)參數(shù)指定。

字符串常量池設(shè)計(jì)思想：

• 字符串的分配，和其他的對(duì)象分配一樣，耗費(fèi)高昂的時(shí)間與空間代價(jià)，作為最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)類(lèi)型，大量頻繁的創(chuàng)建字符串，極大程度地影響程序的性能
• JVM為了提高性能和減少內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)，在實(shí)例化字符串常量的時(shí)候進(jìn)行了一些優(yōu)化
• 為字符串開(kāi)辟一個(gè)字符串常量池，類(lèi)似于緩存區(qū)
• 創(chuàng)建字符串常量時(shí)，首先查看字符串常量池是否存在該字符串
• 存在該字符串，返回引用實(shí)例，不存在，實(shí)例化該字符串并放入池中
• 實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)
• 實(shí)現(xiàn)該優(yōu)化的基礎(chǔ)是因?yàn)樽址遣豢勺兊?，可以不用?dān)心數(shù)據(jù)沖突進(jìn)行共享
• 運(yùn)行時(shí)實(shí)例創(chuàng)建的全局字符串常量池中有一個(gè)表，總是為池中每個(gè)唯一的字符串對(duì)象維護(hù)一個(gè)引用,這就意味著它們一直引用著字符串常量池中的對(duì)象，所以，在常量池中的這些字符串不會(huì)被垃圾收集器回收

Part3String.intern()與字符串常量池

/** 
 * 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()&nbsp;==&nbsp;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&trade; 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();

字符串常量池的位置也是隨著jdk版本的不同而位置不同。在jdk6中，常量池的位置在永久代（方法區(qū)）中，此時(shí)常量池中存儲(chǔ)的是對(duì)象。在jdk7中，常量池的位置在堆中，此時(shí)，常量池存儲(chǔ)的就是引用了。在jdk8中，永久代（方法區(qū)）被元空間取代了。這里就引出了一個(gè)很常見(jiàn)很經(jīng)典的問(wèn)題，看下面這段代碼。

@Test
public void test(){
    String s = new String("2");
    s.intern();
    String s2 = "2";
    System.out.println(s == s2);


    String s3 = new String("3") + new String("3");
    s3.intern();
    String s4 = "33";
    System.out.println(s3 == s4);
}

jdk6
false
false

jdk7
false
true

這段代碼在jdk6中輸出是false false，但是在jdk7中輸出的是false true。我們通過(guò)圖來(lái)一行行解釋。

JDK1.6

• String s = new String("2");創(chuàng)建了兩個(gè)對(duì)象，一個(gè)在堆中的StringObject對(duì)象，一個(gè)是在常量池中的“2”對(duì)象。

• s.intern();在常量池中尋找與s變量?jī)?nèi)容相同的對(duì)象，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)存在內(nèi)容相同對(duì)象“2”，返回對(duì)象2的地址。

• String s2 = "2";使用字面量創(chuàng)建，在常量池尋找是否有相同內(nèi)容的對(duì)象，發(fā)現(xiàn)有，返回對(duì)象"2"的地址。

• System.out.println(s == s2);從上面可以分析出，s變量和s2變量地址指向的是不同的對(duì)象，所以返回false

• String s3 = new String("3") + new String("3");創(chuàng)建了兩個(gè)對(duì)象，一個(gè)在堆中的StringObject對(duì)象，一個(gè)是在常量池中的“3”對(duì)象。中間還有2個(gè)匿名的new String(“3”)我們不去討論它們。

• s3.intern();在常量池中尋找與s3變量?jī)?nèi)容相同的對(duì)象，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)“33”對(duì)象，在常量池中創(chuàng)建“33”對(duì)象，返回“33”對(duì)象的地址。

• String s4 = "33";使用字面量創(chuàng)建，在常量池尋找是否有相同內(nèi)容的對(duì)象，發(fā)現(xiàn)有，返回對(duì)象"33"的地址。

• System.out.println(s3 == s4);從上面可以分析出，s3變量和s4變量地址指向的是不同的對(duì)象，所以返回false

JDK1.7

• String s = new String("2");創(chuàng)建了兩個(gè)對(duì)象，一個(gè)在堆中的StringObject對(duì)象，一個(gè)是在堆中的“2”對(duì)象，并在常量池中保存“2”對(duì)象的引用地址。

• s.intern();在常量池中尋找與s變量?jī)?nèi)容相同的對(duì)象，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)存在內(nèi)容相同對(duì)象“2”，返回對(duì)象“2”的引用地址。

• String s2 = "2";使用字面量創(chuàng)建，在常量池尋找是否有相同內(nèi)容的對(duì)象，發(fā)現(xiàn)有，返回對(duì)象“2”的引用地址。

• System.out.println(s == s2);從上面可以分析出，s變量和s2變量地址指向的是不同的對(duì)象，所以返回false

• String s3 = new String("3") + new String("3");創(chuàng)建了兩個(gè)對(duì)象，一個(gè)在堆中的StringObject對(duì)象，一個(gè)是在堆中的“3”對(duì)象，并在常量池中保存“3”對(duì)象的引用地址。中間還有2個(gè)匿名的new String(“3”)我們不去討論它們。

• s3.intern();在常量池中尋找與s3變量?jī)?nèi)容相同的對(duì)象，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)“33”對(duì)象，將s3對(duì)應(yīng)的StringObject對(duì)象的地址保存到常量池中，返回StringObject對(duì)象的地址。

• String s4 = "33";使用字面量創(chuàng)建，在常量池尋找是否有相同內(nèi)容的對(duì)象，發(fā)現(xiàn)有，返回其地址，也就是StringObject對(duì)象的引用地址。

• System.out.println(s3 == s4);從上面可以分析出，s3變量和s4變量地址指向的是相同的對(duì)象，所以返回`true。

Part4String.intern()的應(yīng)用

在大量字符串讀取賦值的情況下，使用String.intern()會(huì)大大的節(jié)省內(nèi)存空間。

static final int MAX = 1000 * 10000;
static final String[] arr = new String[MAX];

public static void main(String[] args) throws Exception {
    Integer[] DB_DATA = new Integer[10];
    Random random = new Random(10 * 10000);
    for (int i = 0; i < DB_DATA.length; i++) {
        DB_DATA[i] = random.nextInt();
    }
 long t = System.currentTimeMillis();
    for (int i = 0; i < MAX; i++) {
        //arr[i] = new String(String.valueOf(DB_DATA[i % DB_DATA.length]));
         arr[i] = new String(String.valueOf(DB_DATA[i % DB_DATA.length])).intern();
    }

 System.out.println((System.currentTimeMillis() - t) + "ms");
    System.gc();
}

運(yùn)行的參數(shù)是：-Xmx2g -Xms2g -Xmn1500M 上述代碼是一個(gè)演示代碼，其中有兩條語(yǔ)句不一樣，一條是使用 intern，一條是未使用 intern。發(fā)現(xiàn)不使用 intern 的代碼生成了1000w 個(gè)字符串，占用了大約640m 空間。使用了 intern 的代碼生成了1345個(gè)字符串，占用總空間 133k 左右。其實(shí)通過(guò)觀察程序中只是用到了10個(gè)字符串，所以準(zhǔn)確計(jì)算后應(yīng)該是正好相差100w 倍。雖然例子有些極端，但確實(shí)能準(zhǔn)確反應(yīng)出 intern 使用后產(chǎn)生的巨大空間節(jié)省。

利用String的不變性，String.intern()方法本質(zhì)就是維持了一個(gè)String的常量池，而且池里的String應(yīng)該都是唯一的。

這樣，我們便可以利用這種唯一性，來(lái)做一些文章了。我們可以利用池里String的對(duì)象來(lái)做鎖，實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的控制。比如一個(gè)城市的某種資源同一時(shí)間只能一個(gè)線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)，那就可以把城市名的String對(duì)象作為鎖，放到常量池中去，同一時(shí)間只能一個(gè)線(xiàn)程獲得。

不當(dāng)?shù)氖褂茫篺astjson 中對(duì)所有的 json 的 key 使用了 intern 方法，緩存到了字符串常量池中

這樣每次讀取的時(shí)候就會(huì)非?？欤蟠鬁p少時(shí)間和空間，而且 json 的 key 通常都是不變的。但是這個(gè)地方?jīng)]有考慮到大量的 json key 如果是變化的，那就會(huì)給字符串常量池帶來(lái)很大的負(fù)擔(dān)。