2016-07-29 01:31:16 +0000   |     java string jvm memory   |   Viewed times   |    

世界在String上起舞,我们却不知道String到底在哪里。

问题

String有两种赋值方式,第一种是通过“字面量”赋值。比如下面这行,

String str = "Hello";

第二种是通过new关键字创建新对象。比如下面这样,

String str = new String("Hello");

这两种方式到底有什么不同。程序执行的时候,内存里到底有几个实例?“实例”存在了内存的哪里?”字面量“又存在了哪里?”变量“又存在了哪里?概念很容易搞混。下面我们一个一个来讲。讲之前,先回顾一下内存。

JVM内存

jvm 上面这张是虚拟机的结构图,其他先不管,我们主要看中间五彩这一条叫 “运行时数据区(Run-time Data Areas)”。就是虚拟机管理的内存。就是大白话的“内存”。其中后面两个,一个程序计数器(PC Registers),一个本地方法栈(Native Method Stack)和今天讲的没关系,先忽略。一般讲起来虚拟机内存最主要的就是三块: 堆(Heap):最大一块空间。存放对象实例和数组。全局共享。 栈(Stack):全称 “虚拟机栈(JVM Stacks)”。存放基本型,以及对象引用。线程私有。 方法区(Method Area):“类”被加载后的信息,常量,静态变量存放在这儿。全局共享。在HotSpot里也叫“永生代”。但两者不能等同。

下面把这三块放大看,用显微镜照照, memory

上图中,首先Heap堆分成“新生代”,“老年代”,先不用管它,这是GC垃圾回收时候的事。重要的是Stack栈区里的“局部变量表(Local Variables)”和“操作数栈(Operand Stack)”。因为栈是线程私有的,每个方法被执行的时候都会创建一个“栈帧(Stack Frame)”。而每个栈帧里对应的都维护着一个局部变量表和操作数栈。我们老说基本型和对象引用存在栈里,其实就是存在局部变量表里。而操作数栈是线程实际的操作台。看下面这张图,做个加法100+98,局部变量表就是存数据的地方,一直不变,到加法做完再把和加进去。操作数栈就很忙了,先把两个数字压进去,再求和,算出来以后再弹出去。 localOperand

中间这个非堆(Non-Heap)可以粗略地理解为非堆里包含了永生代,而永生代里又包括了方法区。上面说了,每个类加载完之后,类的信息都存在方法区里。和String最相关的是里面的“运行时常量池(Run-time Constant Pool)”。它是每个类私有的。后面会说到,每个class文件里的“常量池”在类被加载器加载之后,就映射存放在这个地方。另外一个是“字符串常量池(String Pool)”。和运行时常量池不是一个概念。字符串常量池是全局共享的。位置就在第二张图里Interned String的位置,可以理解为在永生代里,方法区外面。后面会讲到,String.intern()方法,字符串驻留之后,引用就放在这个String Pool。

String str = “Hello”;

心里有个内存的印象之后就可以开始说String了。

比如下面这个Test.java文件。在主线程方法main里声明了一个字面量是”Hello”的字符串str。

package com.ciao.shen.java.string;

class Test{
    public void f(String s){...};

    public static void main(String[] args){
        String str = "Hello";
        ...
    }
}

编译成Test.class文件之后,如下图,除了版本、字段、方法、接口等描述信息外,还有一个也叫“常量池(Constant Pool Table)”的东西(淡绿色区块)。但这个常量池和内存里的常量池不是一个东西。class文件里的常量池主要存两个东西:“字面量(Literal)”和“符号引用量(Symbolic References)”。其中字面量就包括类中定义的一些常量,因为String是不可变的,由final关键字修饰过了,所以代码里的“Hello”字符串,就是作为字面量(常量)写在class的常量池里。 class2

运行程序用到Test类的时候,Test.class文件的信息就会被解析到内存的方法区里。class文件里常量池里大部分数据会被加载到“运行时常量池”。但String不是。例子中的”Hello”的一个引用会被存到同样在Non Heap区的字符串常量池(String Pool)里。而“Hello”本体还是和所有对象一样,创建在Heap堆区。R大的文章里,测试的结果是在新生代的Eden区。但因为一直有一个引用驻留在字符串常量池,所以不会被GC清理掉。这个Hello对象会生存到整个线程结束。如下图所示,字符串常量池的具体位置是在过去说的永生代里,方法区的外面。 memory2

!注意:这只是在Test类被类加载器加载时候的情形。主线程中的str变量这时候都还没有被创建,但Hello的实例已经在Heap里了,对它的引用也已经在字符串常量池里了。

等主线程开始创建str变量的时候,虚拟机就会到字符串常量池里找,看有没有能equals(“Hello”)的String。如果找到了,就在栈区当前栈帧的局部变量表里创建str变量,然后把字符串常量池里对Hello对象的引用复制给str变量。找不到的话,才会在heap堆重新创建一个对象,然后把引用驻留到字符串常量区。然后再把引用复制栈帧的局部变量表。 memory3

如果我们当时定义了很多个值为”Hello”的String,比如像下面代码,有三个变量str1,str2,str3,也不会在堆上增加String实例。局部变量表里三个变量统一指向同一个堆内存地址。

package com.ciao.shen.java.string;

class Test{
    public void f(String s){...};

    public static void main(String[] args){
        String str1 = "Hello";
        String str2 = "Hello";
        String str3 = "Hello";
        ...
    }
}

memory4 上图中str1,str2,str3之间可以用==来连接。

String str = new String(“Hello”)

但如果是用new关键字来创建字符串,情况就不一样了,

package com.ciao.shen.java.string;

class Test{
    public void f(String s){...};

    public static void main(String[] args){
        String str1 = "Hello";
        String str2 = "Hello";
        String str3 = new String("Hello");
        ...
    }
}

这时候,str1和str2还是和之前一样。但str3因为new关键字会在Heap堆申请一块全新的内存,来创建新对象。虽然字面还是”Hello”,但是完全不同的对象,有不同的内存地址。 memory5 当然String#intern()方法让我们能手动检查字符串常量池,把有新字面值的字符串地址驻留到常量池里。

更复杂一点的情况

但上面的例子仅限于非常简单的情况,稍微复杂一点,比如下面这段代码,结果就不一样了。

class Test {
	private static String staticStr="Hello";
	private String memberStr="Hello";

	public void sayHello(){
		String methodStr="Hello";
		System.out.println(methodStr);
	}

	public static void main (String[] args) {
		Test t=new Test();
		t.sayHello();
		String threadStr="Hello";
	}
}

代码中,staticStr是Test类的静态成员变量,memberStr是普通成员变量。methodStr是sayHello方法的局部变量。在主线程方法main里,还有一个threadStr。 memory6 如上图所示,四个变量都指向堆区新生代里的同一个对象实例“Hello”。但程序运行过程里,内存里实际存在过6个对这个对象的引用。具体如下,

  1. 首先方法区外面的字符串常量池有一个长期驻留引用。
  2. 第二,静态变量staticStr,理论上可以认为存在方法区的运行时常量池里。但就像您文章里测出来实际是在堆里,是因为不同JVM具体操作不同。
  3. 第三,memberStr是作为Test类的成员变量,存在堆里。
  4. 第四,methodStr变量存在栈区sayHello()方法的私有栈帧里的局部变量表。
  5. 第五,我们用System.out打印变量methodStr的时候,会有一个新的对“Hello”的引用被压到操作数栈里。但很快操作完就又弹出去了。
  6. sayHello()函数运行完methodStr变量对“Hello”对象的引用就被释放。
  7. 第六个,主线程main里的threadStr变量也存在一个栈帧的局部变量表里。
  8. 最后程序运行完,除了字符串常量池里的驻留引用还继续生存,其他引用全部被释放。

参考文献

以下四篇,本人均亲自试吃,可放心食用。 《请别再拿“String s = new String(“xyz”);创建了多少个String实例”来面试了吧 - By R神-@RednaxelaFX》 《借HSDB来探索HotSpot VM的运行时数据 - By R神-@RednaxelaFX》 《JVM Internals - By James D Bloom》 《The SCJP Tip Line - By Corey McGlone》