Java常量池知識點(diǎn)總結(jié)

java常量池是一個經(jīng)久不衰的話題，也是面試官的最愛，題目花樣百出，這次好好總結(jié)一下。

理論

先拙劣的表達(dá)一下jvm虛擬內(nèi)存分布：

程序計(jì)數(shù)器是jvm執(zhí)行程序的流水線，存放一些跳轉(zhuǎn)指令，這個太高深，不懂。

本地方法棧是jvm調(diào)用操作系統(tǒng)方法所使用的棧。

虛擬機(jī)棧是jvm執(zhí)行java代碼所使用的棧。

方法區(qū)存放了一些常量、靜態(tài)變量、類信息等，可以理解成class文件在內(nèi)存中的存放位置。

虛擬機(jī)堆是jvm執(zhí)行java代碼所使用的堆。 

Java中的常量池，實(shí)際上分為兩種形態(tài)：靜態(tài)常量池和運(yùn)行時常量池。

所謂靜態(tài)常量池，即*.class文件中的常量池，class文件中的常量池不僅僅包含字符串(數(shù)字)字面量，還包含類、方法的信息，占用class文件絕大部分空間。

而運(yùn)行時常量池，則是jvm虛擬機(jī)在完成類裝載操作后，將class文件中的常量池載入到內(nèi)存中，并保存在方法區(qū)中，我們常說的常量池，就是指方法區(qū)中的運(yùn)行時常量池。

接下來我們引用一些網(wǎng)絡(luò)上流行的常量池例子，然后借以講解。

String s1 = "Hello"; 
String s2 = "Hello"; 
String s3 = "Hel" + "lo"; 
String s4 = "Hel" + new String("lo"); 
String s5 = new String("Hello"); 
String s6 = s5.intern(); 
String s7 = "H"; 
String s8 = "ello"; 
String s9 = s7 + s8;
System.out.println(s1 == s2); // true
System.out.println(s1 == s3); // true
System.out.println(s1 == s4); // false
System.out.println(s1 == s9); // false
System.out.println(s4 == s5); // false
System.out.println(s1 == s6); // true

首先說明一點(diǎn)，在java 中，直接使用==操作符，比較的是兩個字符串的引用地址，并不是比較內(nèi)容，比較內(nèi)容請用String.equals()。

s1 == s2這個非常好理解，s1、s2在賦值時，均使用的字符串字面量，說白話點(diǎn)，就是直接把字符串寫死，在編譯期間，這種字面量會直接放入class文件的常量池中，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)用，載入運(yùn)行時常量池后，s1、s2指向的是同一個內(nèi)存地址，所以相等。

s1 == s3這個地方有個坑，s3雖然是動態(tài)拼接出來的字符串，但是所有參與拼接的部分都是已知的字面量，在編譯期間，這種拼接會被優(yōu)化，編譯器直接幫你拼好，因此String s3 = "Hel" + "lo";在class文件中被優(yōu)化成String s3 = "Hello";，所以s1 == s3成立。

s1 == s4當(dāng)然不相等，s4雖然也是拼接出來的，但new String("lo")這部分不是已知字面量，是一個不可預(yù)料的部分，編譯器不會優(yōu)化，必須等到運(yùn)行時才可以確定結(jié)果，結(jié)合字符串不變定理，鬼知道s4被分配到哪去了，所以地址肯定不同。配上一張簡圖理清思路：

s1 == s9也不相等，道理差不多，雖然s7、s8在賦值的時候使用的字符串字面量，但是拼接成s9的時候，s7、s8作為兩個變量，都是不可預(yù)料的，編譯器畢竟是編譯器，不可能當(dāng)解釋器用，所以不做優(yōu)化，等到運(yùn)行時，s7、s8拼接成的新字符串，在堆中地址不確定，不可能與方法區(qū)常量池中的s1地址相同。

s4 == s5已經(jīng)不用解釋了，絕對不相等，二者都在堆中，但地址不同。

s1 == s6這兩個相等完全歸功于intern方法，s5在堆中，內(nèi)容為Hello ，intern方法會嘗試將Hello字符串添加到常量池中，并返回其在常量池中的地址，因?yàn)槌Ａ砍刂幸呀?jīng)有了Hello字符串，所以intern方法直接返回地址；而s1在編譯期就已經(jīng)指向常量池了，因此s1和s6指向同一地址，相等。

至此，我們可以得出三個非常重要的結(jié)論：

必須要關(guān)注編譯期的行為，才能更好的理解常量池。

運(yùn)行時常量池中的常量，基本來源于各個class文件中的常量池。

程序運(yùn)行時，除非手動向常量池中添加常量(比如調(diào)用intern方法)，否則jvm不會自動添加常量到常量池。

以上所講僅涉及字符串常量池，實(shí)際上還有整型常量池、浮點(diǎn)型常量池等等，但都大同小異，只不過數(shù)值類型的常量池不可以手動添加常量，程序啟動時常量池中的常量就已經(jīng)確定了，比如整型常量池中的常量范圍：-128~127，只有這個范圍的數(shù)字可以用到常量池。

實(shí)踐

說了這么多理論，接下來讓我們觸摸一下真正的常量池。

前文提到過，class文件中存在一個靜態(tài)常量池，這個常量池是由編譯器生成的，用來存儲java源文件中的字面量(本文僅僅關(guān)注字面量)，假設(shè)我們有如下java代碼：

String s = "hi";

為了方便起見，就這么簡單，沒錯！將代碼編譯成class文件后，用winhex打開二進(jìn)制格式的class文件。如圖：

簡單講解一下class文件的結(jié)構(gòu)，開頭的4個字節(jié)是class文件魔數(shù)，用來標(biāo)識這是一個class文件，說白話點(diǎn)就是文件頭，既：CA FE BA BE。

緊接著4個字節(jié)是java的版本號，這里的版本號是34，因?yàn)楣P者是用jdk8編譯的，版本號的高低和jdk版本的高低相對應(yīng)，高版本可以兼容低版本，但低版本無法執(zhí)行高版本。所以，如果哪天讀者想知道別人的class文件是用什么jdk版本編譯的，就可以看這4個字節(jié)。

接下來就是常量池入口，入口處用2個字節(jié)標(biāo)識常量池常量數(shù)量，本例中數(shù)值為00 1A，翻譯成十進(jìn)制是26，也就是有25個常量，其中第0個常量是特殊值，所以只有25個常量。

常量池中存放了各種類型的常量，他們都有自己的類型，并且都有自己的存儲規(guī)范，本文只關(guān)注字符串常量，字符串常量以01開頭(1個字節(jié))，接著用2個字節(jié)記錄字符串長度，然后就是字符串實(shí)際內(nèi)容。本例中為：01 00 02 68 69。

接下來再說說運(yùn)行時常量池，由于運(yùn)行時常量池在方法區(qū)中，我們可以通過jvm參數(shù)：-XX:PermSize、-XX:MaxPermSize來設(shè)置方法區(qū)大小，從而間接限制常量池大小。

假設(shè)jvm啟動參數(shù)為：-XX:PermSize＝2M -XX:MaxPermSize＝2M，然后運(yùn)行如下代碼：

//保持引用，防止自動垃圾回收
List<String> list = new ArrayList<String>();
int i = 0;
while(true){
//通過intern方法向常量池中手動添加常量  list.add(String.valueOf(i++).intern());
}

程序立刻會拋出：Exception in thread "main" java.lang.outOfMemoryError: PermGen space異常。PermGen space正是方法區(qū)，足以說明常量池在方法區(qū)中。

在jdk8中，移除了方法區(qū)，轉(zhuǎn)而用Metaspace區(qū)域替代，所以我們需要使用新的jvm參數(shù)：-XX:MaxMetaspaceSize=2M，依然運(yùn)行如上代碼，拋出：java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace異常。同理說明運(yùn)行時常量池是劃分在Metaspace區(qū)域中。具體關(guān)于Metaspace區(qū)域的知識，請讀者自行搜索。

本文所有代碼均在jdk7、jdk8下測試通過，其他版本jdk可能會略有差異，請讀者自行探索。