Java笔记 ·

Java漫谈-String下

上篇介绍了一些String基础与简单的创建方式,本篇引入它的intern()方法。

关于intern()方法

当一个String实例str调用intern()方法时,如果常量池中已经有了这个字符串,那么直接返回常量池中它的引用,如果没有,那就将它的引用保存一份到字符串常量池,然后直接返回这个引用。可参考JDK中的解释或The Java Virtual Machine Specification, Java SE 8 Edition (§5.1),简单来说就是一个可以手动将未存在常量池的字符串存入常量池并返回其引用的方法。

示例3

现在再来看另一种方式创建String的例子:

public class StringDemo3 {
    public static void main(String[] args) {
        String s1 = new String("1") + new String("a"); // 1
        s1.intern();          // 2
        String s2 = "1a";    // 3
        System.out.println(s1 == s2);     // 4
        System.out.println(s1.intern() == s2); // 5
        String s3 = "1"+"a";
        System.out.println(s3 == s2); // 6
    }
}

运行结果

true
true
true

解析

语句6肯定是true,因为编译器会对"1"+"a"进行优化,使其在编译完成后成为"1a",即String s3 = "1a";,从而导致s3和s2均为字符串常量池中的字符串的引用,通过字节码也能看到类似情形:

// ... 省略

// s2
40: ldc           #11                 // String 1a
42: astore_2

// ...省略

// s3
78: ldc           #11                 // String 1a
80: astore_3

// ...省略

现在我们看下String s1 = new String("1") + new String("a");的字节码:

0: new           #2                  // class java/lang/StringBuilder
3: dup
4: invokespecial #3                  // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V
7: new           #4                  // class java/lang/String
10: dup
11: ldc           #5                  // String 1
13: invokespecial #6                  // Method java/lang/String."<init>":(Ljava/lang/String;)V
16: invokevirtual #7                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
19: new           #4                  // class java/lang/String
22: dup
23: ldc           #8                  // String a
25: invokespecial #6                  // Method java/lang/String."<init>":(Ljava/lang/String;)V
28: invokevirtual #7                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
31: invokevirtual #9                  // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
34: astore_1

1.通过字节码可知,字符串常量池中存在"1","a"两个常量,字符串s1的内部实现是通过StringBuilder执行append方法拼接后执行toString()获得的。这一段代码不算常量池中的一共创建了3个对象,一个StringBuilder,一个String 1,一个String a,最后在仅堆中生成引用s1所指向的字符串“1a”,此时常量池中并无“1a”。

2.当执行s1.intern();时,发现常量池中不存在“1a”,故在常量池中复制一份与s1相同的引用,即直接将s1锁指向的字符串“1a”的地址复制一份到常量池中。

3.此时再执行String s2 = "1a";,拿到的就和s1相同了,从而有了语句3和4的true。

如果将语句1和2对调,则会出现结果:

false
true
true

问题

按照上文所言,在类加载阶段“1a”应该已经与"1","a"两个常量一样,被加载了,为何上面的解说1中最后说此时常量池中并无“1a”呢?

解惑

其实这涉及到类加载阶段中的resolve阶段,这个阶段会解析Class文件中常量并在字符串常量池中驻留其引用。但是,该过程是lazy resolve的,而触发执行加载的命令就是ldc

ldc指令是否需要创建新的String实例,全看在第一次执行该指令时,字符串常量池中是否已经记录了一个对应内容的String的引用。

在StringDemo3中,执行s1.intern();时,第一次执行了ldc,此时查找字符串常量池,发现没有对应内容的String的引用,故直接使用了s1的引用。

若是将语句2和3互换,此时属于第一次执行针对1aldc指令,此时查找字符串常量池,发现没有对应内容的String的引用,故创建新的String实例,将引用存入字符串常量池中一份并返回给s2,如此s1 == s2的结果将为false

实例4

现在我们看下《深入理解Java虚拟机》中的一个例子:

public class StringDemo4 {
    public static void main(String[] args) {
        String str1 = new StringBuilder("计算机").append("软件").toString();
        System.out.println(str1.intern() == str1);

        String str2 = new StringBuilder("ja").append("va").toString();
        System.out.println(str2.intern() == str2);
    }
}

结果

true
false

原文解析
原文中如是说:

这段代码在JDK1.6中运行,会得到两个false,而在JDK1.7中运行,会得到一个true和一个false。产生差异的原因是:

在JDK1.6中,intern()方法会把首次遇到的字符串实例复制到永久代中,返回的也是永久代中这个字符串实例的引用,而由StringBuilder创建的字符串实例在Java堆上,所以必然是两个不同的引用,将返回false。

而JDK1.7(以及其他部分虚拟机,例如JRockit)的intern()实现不会再复制实例,只是在常量池中记录首次出现的实例引用。因此intern()返回的引用和由StringBuilder创建的那个字符串实例是同一个。

对于str2比较返回false是因为“java”字符串在执行StringBuilder.toString()之前已经出现过,字符串常量池中已经有它的引用了,不符合“首次出现”的原则,而“计算机软件”这个字符串则是首次出现的,因此返回true.

解析
原文说“java”这个字符串之前已经出现过,却没说在哪出现过。

RednaxelaFX在基于OpenJDK 7u45的实验中发现其来自sun.misc.Version类,在Oracle JDK7u / OpenJDK7u里的HotSpot VM会通过该类获取JDk的名称和具体版本信息。

扩展

1. 常量池

严格来说,Java中存在着3中常量池:

  • Class常量池(Class文件中的The Constant Pool)
  • 运行时常量池(Run-Time Constant Pool)
  • 字符串常量池(String Pool/string literal pool,有时也称String池/全局字符串池)

1.1 Class常量池

Class文件中的除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息,还有一项时常量池(Constant Pool Table),这里面主要存放两大类常量:字面量(Literal)符号引用(Symbolic References)

字面量比较接近于Java语言层面的常量概念,如:

  • 文本字符串
  • 声明为final的常量值等。

符号引用属于编译原理方面的概念,包含下面三类常量:

  • 类和接口的全限定名(Fully Qualified Name)
  • 字段的名称和描述(Descriptor)
  • 方法的名称和描述

可以通过上一节中的javap命令查看,以将上面的StringDemo3反编译为例,格式类似如下:

Constant pool:
   #1 = Methodref          #15.#37        // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Class              #38            // java/lang/StringBuilder
   #3 = Methodref          #2.#37         // java/lang/StringBuilder."<init>":()V
   #4 = Class              #39            // java/lang/String
   #5 = String             #40            // 1
   #6 = Methodref          #4.#41         // java/lang/String."<init>":(Ljava/lang/String;)V
   #7 = Methodref          #2.#42         // java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
   #8 = String             #43            // a
   #9 = Methodref          #2.#44         // java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
  #10 = Methodref          #4.#45         // java/lang/String.intern:()Ljava/lang/String;
  #11 = String             #46            // 1a
  #12 = Fieldref           #47.#48        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
  #13 = Methodref          #49.#50        // java/io/PrintStream.println:(Z)V
  #14 = Class              #51            // Others/base/StringDemo4
  #15 = Class              #52            // java/lang/Object
  #16 = Utf8               <init>
  #17 = Utf8               ()V
  #18 = Utf8               Code
  #19 = Utf8               LineNumberTable
  #20 = Utf8               LocalVariableTable
  #21 = Utf8               this
  #22 = Utf8               LOthers/base/StringDemo4;
  #23 = Utf8               main
  #24 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #25 = Utf8               args
  #26 = Utf8               [Ljava/lang/String;
  #27 = Utf8               s1
  #28 = Utf8               Ljava/lang/String;
  #29 = Utf8               s2
  #30 = Utf8               s3
  #31 = Utf8               StackMapTable
  #32 = Class              #26            // "[Ljava/lang/String;"
  #33 = Class              #39            // java/lang/String
  #34 = Class              #53            // java/io/PrintStream
  #35 = Utf8               SourceFile
  #36 = Utf8               StringDemo4.java
  #37 = NameAndType        #16:#17        // "<init>":()V
  #38 = Utf8               java/lang/StringBuilder
  #39 = Utf8               java/lang/String
  #40 = Utf8               1
  #41 = NameAndType        #16:#54        // "<init>":(Ljava/lang/String;)V
  #42 = NameAndType        #55:#56        // append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
  #43 = Utf8               a
  #44 = NameAndType        #57:#58        // toString:()Ljava/lang/String;
  #45 = NameAndType        #59:#58        // intern:()Ljava/lang/String;
  #46 = Utf8               1a
  #47 = Class              #60            // java/lang/System
  #48 = NameAndType        #61:#62        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #49 = Class              #53            // java/io/PrintStream
  #50 = NameAndType        #63:#64        // println:(Z)V
  #51 = Utf8               Others/base/StringDemo4
  #52 = Utf8               java/lang/Object
  #53 = Utf8               java/io/PrintStream
  #54 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
  #55 = Utf8               append
  #56 = Utf8               (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
  #57 = Utf8               toString
  #58 = Utf8               ()Ljava/lang/String;
  #59 = Utf8               intern
  #60 = Utf8               java/lang/System
  #61 = Utf8               out
  #62 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #63 = Utf8               println
  #64 = Utf8               (Z)V

由上可以看到涉及到String的有两个类型,CONSTANT_Utf8CONSTANT_String

CONSTANT_Utf8,即 CONSTANT_Utf8_info Structure,是一个用于表示常量字符串值的,这里真正持有字符串内容。(§4.4.7)

CONSTANT_Utf8_info {
    u1 tag;
    u2 length;
    u1 bytes[length];
}

CONSTANT_String, 即CONSTANT_String_info Structure,该类型用于表示该类型的常量对象String。其不直接持有字符串内容,而是持有一个string_indexstring_index该必须是constant_pool表中的有效索引,该constant_pool索引处的条目必须是一个CONSTANT_Utf8_info结构,即为一个CONSTANT_Utf8类型的常量,从而持有字符串内容。(§4.4.3)

CONSTANT_String_info { 
    u1 tag; 
    u2 string_index; 
}

1.2 运行时常量池

方法区的一部分。Class文件的常量池(上面的1.1)中的内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

每个运行时常量池都是从Java虚拟机的方法区域(§2.5.4)中分配的。当Java虚拟机创建类或接口(§5.3)时,将构造类或接口的运行时常量池(§2.5.5)

A run-time constant pool is a per-class or per-interface run-time representation of the constant_pool table in a class file (§4.4). It contains several kinds of constants, ranging from numeric literals known at compile-time to method and field references that must be resolved at run-time. The run-time constant pool serves a function similar to that of a symbol table for a conventional programming language, although it contains a wider range of data than a typical symbol table.

Each run-time constant pool is allocated from the Java Virtual Machine's method area (§2.5.4). The run-time constant pool for a class or interface is constructed when the class or interface is created (§5.3) by the Java Virtual Machine.

这意味着每个类/接口都会有一个运行时常量池。

1.3 字符串常量池

HotSpot VM里,记录interned string的一个全局表叫做StringTable,它本质上就是个HashSet。这是个纯运行时的结构,而且是惰性(lazy)维护的。注意它只存储对java.lang.String实例的引用,而不存储String对象的内容。

一般我们说一个字符串进入了全局的字符串常量池其实是说在这个StringTable中保存了对它的引用,反之,如果说没有在其中就是说StringTable中没有对它的引用。

字面量进入字符串常量池的时机

通过上篇文章,我们可以得到如下两个结论:

1.StringDemo3.class 的 class文件常量池 中 是含有 "1" ,"a","1a"的。

2.在类加载阶段, JVM会在堆中创建 对应这些 class文件常量池中的 字符串对象实例 并在字符串常量池中驻留其引用。具体在resolve阶段执行。这些常量全局共享。

但resolve阶段实际上并不是立即就创建对象并且在字符串常量池中驻留了引用。 JVM规范里明确指定resolve阶段可以是lazy的[(§5.4)]:(https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-5.html#jvms-5.4)

...

Resolution of symbolic references in the class or interface is an optional part of linking.
...

a Java Virtual Machine implementation may choose to resolve each symbolic reference in a class or interface individually when it is used ("lazy" or "late" resolution), or to resolve them all at once when the class is being verified ("eager" or "static" resolution). This means that the resolution process may continue, in some implementations, after a class or interface has been initialized. Whichever strategy is followed, any error detected during resolution must be thrown at a point in the program that (directly or indirectly) uses a symbolic reference to the class or interface.

在HotSpot VM中,运行时常量池里:

  • CONSTANT_Utf8 -> Symbol*(一个指针,指向一个Symbol类型的C++对象,内容是跟Class文件同样格式的UTF-8编码的字符串)
  • CONSTANT_String -> java.lang.String(一个实际的Java对象的引用,C++类型是oop)

CONSTANT_Utf8会在类加载的过程中就全部创建出来,而CONSTANT_String则是lazy resolve的。例如在第一次引用该项的ldc指令被第一次执行到的时候才会resolve

在尚未resolve的时候,HotSpot VM把它的类型叫做JVM_CONSTANT_UnresolvedString,内容跟Class文件里一样只是一个index;等到resolve过后这个项的常量类型就会变成最终的JVM_CONSTANT_String,而内容则变成实际的那个oop。

即,就HotSpot VM的实现来说,加载类的时候,那些字符串字面量会进入到当前类的运行时常量池,不会进入全局的字符串常量池(即在StringTable中并没有相应的引用,在堆中也没有对应的对象产生)。

再谈ldc指令

根据上篇文章我们已知ldc 将int, float或String型常量值从常量池中推送至栈顶。但,根据本文上面说的,在类加载阶段,这个 resolve 阶段( constant pool resolution )是lazy的。即在resolve阶段之前并没有真正的对象,字符串常量池里自然也没有对应的引用。那么ldc指令还怎么把人推送至栈顶?或者换一个角度想,既然resolve 阶段是lazy的,那总有一个时候它要真正的执行吧,是什么时候?

执行ldc指令就是触发这个lazy resolution动作的条件

ldc字节码在这里的执行语义是:

  • 到当前类的运行时常量池(runtime constant pool,HotSpot VM里是ConstantPool + ConstantPoolCache)去查找该index对应的项。
  • 如果该项尚未resolve,则resolve之,并返回resolve后的内容。
  • 在遇到String类型常量时,resolve的过程如果发现StringTable已经有了内容匹配的java.lang.String的引用,则直接返回这个引用。
  • 反之,如果StringTable里尚未有内容匹配的String实例的引用,则会在Java堆里创建一个对应内容的String对象,然后在StringTable记录下这个引用,并返回这个引用出去。

可见,ldc指令是否需要创建新的String实例,全看在第一次执行这一条ldc指令时,StringTable是否已经记录了一个对应内容的String的引用。

参考资料

  1. Java 中new String("字面量") 中 "字面量" 是何时进入字符串常量池的?
  2. The Java® Virtual Machine Specification Java SE 8 Edition
  3. 《深入理解 Java 虚拟机》第二版
  4. 如何理解《深入理解java虚拟机》第二版中对String.intern()方法的讲解中所举的例子?

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