Java 干货之深入理解String

可以证明，字符串操作是计算机程序设计中最常见的行为，尤其是在Java大展拳脚的Web系统中更是如此。
---《Thinking in Java》

提到Java中的String,总是有说不完的知识点，它对于刚接触Java的人来说，有太多太多的值得研究的东西了，可是为什么Java中的String这么独特呢？今天我们来一探究竟。

基本数据类型

众所周知Java有八大基本数据类型，那么基本数据类型与对象有什么异同呢？

基本数据类型不是对象
基本数据类型能直接存储变量对应的值在堆栈中，存取更加高效
使用方便，不用new创建，每次表示都不用新建一个对象

字面量与赋值

什么叫字面值呢？考虑下面代码：

int a=3;
double d=3.32;
long l=102322332245L;

其中，3、3.32、102322332245L便叫做字面值。3默认是int类型，3.32默认是double类型，102322332245默认也是int类型，所以必须加一个L来将它修改为long类型，否则编译器就会报错，字面量可以直接在计算机中表示。

基本数据类型便可以直接通过字面值进行赋值

String与基本数据类型

话说了这么多，这和String有什么关系呢？正如本文最开始所说，因为Java需要常常与字符串打交道，因此Java的设计者想要将String类型在使用上和性能上尽量像基本数据类型一样。
也就是

int i=0;
String str="test";

那么问题来了，基本数据类型之所以叫基本数据类型，是因为这种类型可以直接在计算机中直接被表示，比如int i=0;中，0作为字面值是可以直接被表示出来"0x00"，而test作为字符串如何直接被表示呢？

常量池

JVM的解决方案便是Class文件常量池。Class常量池中主要用于存放两大类常量： 字面量和符号引用量，其中字面量便包括了文本字符串。

也就是当我们在类中写下String str="test"的时候，Class文件中，就会出现test这个字面量。

而String类型的特殊性在于它只需要一个utf8表示的内容即可。
这样便解决了String直接赋值的问题，只要在JVM中，将str与test字面量对应起来即可。
也就是类似

int a=0; //a 的值为数值0
String str="test" //str内容为常量池中的utf8 test

但是，问题就真的这么简单么？
可别忘了，String也是一个对象，它也同时拥有所有一个对象应该拥有的特点，也就说

String str="test"

其中test字面量不仅仅需要表示str指向的内容是test，它还应该将str指向一个对象，支持类似str.length()，str.replace()等一切对象访问的操作。
将test的内容写在 Class文件中仅仅解决的是如果赋值的问题，那String对象是如何在内存中存在呢？

String创建过程

打开java.lang.String文件，可以看到String拥有不可变对象的所有特点， final修饰的类， final修饰的成员变量，因此任何看似对String内容进行操作的方法，实际上都是返回了一个新的String对象，这就造就了一个String对象的被创建后，就一直会保持不变。

正因为String这样的特点，我们可以建立一个对String的对象的缓存池：String Pool，用来缓存所有第一次出现的String对象。

JVM规范中只要求了String Pool，但并没有要求如何实现，在Hot Spot JVM中，是通过类似一个HashSet<String>实现，里面存储是当前已存储的String对象的引用：

String str="test";

首先虚拟机会在String Pool中查找是否有equals("test")的String 引用,如果有，就把字符串常量池里面对"test"对象的引用赋值给str。如果不存在，就在堆中新建一个"test"对象，并将引用驻留在字符串常量池(String Pool)中，同时将该引用复制给str。

可以看到，Java在这里是使用的String缓存对象来解决“字面值”性能这个问题的。也就是说，"test"所对应的字面值其实是一个在字符串常量池的String对象这样做只要出现过一次的String对象，第二次就不再会被创建，节约了很大一笔开销，便解决了String类似基本数据类型的性能问题。

深入理解String

明白了String的前因后果，现在来梳理关于String的细节问题。

String str="test"

包含了3个“值”:

"test"字面量，表示String对象所存储的内容，编译后存放在Class字节码中，运行时存放在Class对象中,而Class对象存储在JVM的方法区中
test对象,存储在堆中
test对象对应的引用，存储在String Pool中。

如图所示：

其中

一定注意str所指向的对象是存放在堆中的，网上大多数说的不明白，更有误导String Pool中存储的是对象的说法。Java 对象，排除逃逸分析的优化，所有对象都是存储在堆中的。
String Pool位于JVM 的None Heap中,并且String Pool中的引用持有对堆中对应String对象的引用，因此不必担心堆中的String对象是被GC回收。
网上很多文章还会说test字面值是存在Perm Gen中，但是这样并不准确，永生代（“Perm Gen”）只是Sun JDK的一个实现细节而已，Java语言规范和Java虚拟机规范都没有规定必须有“Permanent Generation”这么一块空间，甚至没规定要用什么GC算法——不用分代式GC算法哪儿来的“永生代”？ HotSpot的PermGen是用来实现Java虚拟机规范中的“方法区”（method area）的。
前面说过，Java想将String向基本数据类型靠近，还能体现在对final String对象的处理，对于final String，如果使用仅仅是字面值的作用，而并没有涉及到对象操作的话(使用对象访问操作符".")，编译器会直接将对应的值替换为相应字面值。举例：
对于
```
final String str="hello";
String helloWorld=str+"world";
```
编译器会直接优化：
```
String helloWorld="helloworld";
```
对于
```
final String str="hello";
String hello=String.valueOf(str); 
```
编译器会直接优化
```
String hello=String.valueOf("hello"); 
```

如果没有编译器的优化，就会涉及到操作数压栈出栈等操作，但是经过优化后的String,可以发现并不会有astore/aload等指令的出现.

new String()

其实new String没什么好说的，new String()表示将String完全作为一个对象来看，放弃它的基本数据类型性质,也与String Pool没有任何关系，但是String包含的intern()方法能将它与String Pool关联起来。

jdk 1.7之前，intern()表示若String Pool中不存在该字符串，则在堆中新建一个与调用intern()对象的字面值相同的对象，并在String Pool中保存该对象的引用，同时返回该对象，若存在则直接返回。
jdk 1.7及1.7 之后,intern()表示将调用intern()对象的引用直接复制一份到String Pool中。

网上很多讨论涉及到几个对象

String str=new String("hello world");

下面图解分析：

需要明白的一点的是new String("hello world")并不是一个原子操作，可以将其分为两步，每个关键字负责不同的工作其中new负责生成对象，String("hello world")负责初始化new
生成的对象。

首先，执行new操作，在堆中分配空间，并生成一个String对象。
其次，将new生成的对象的引用传递给String("hello world")方法进行初始化，而此时参数中出现了"hello world"字面量，JVM会先在字符串常量池里面检查是否有equals("hello world")的引用，如果没有，就在堆中创建相应的对象，并生成一个引用指向这个对象，并将此引用存储在字符串常量池中。

再次，复制常量池hello world指向的字面量对象传递给 new String("hello world")进行初始化。

第二点中提到了复制，其实最主要的就是复制String对象中value所指向的地址，也就是将方法区中的"hello world"的索引复制给新的对象，这也是为什么上图中，两个对象都指向方法区中同一个位置

下面的String str=new String("hello world")进行反编译的结果：

       0: new           #2                  // class java/lang/String
       3: dup
       4: ldc           #3                  // String hello world
       6: invokespecial #4                  // Method java/lang/String."<init>":(Ljava/lang/String;)V
       9: astore_1
      10: return

大概的指令应该都能看到，解释一下：

new 执行new 操作，在堆中分配内存
dup 将new 操作生成的对象压栈
ldc 将String型常量值从常量池中推送至栈顶
invokespecial 调用new String()并传入new 出来的对象了ldc的String值

ldc指令是什么东西？
简单地说，它用于将int、float或String型常量值从常量池中推送至栈顶,在这里也能看到，JVM是将String和八大基本数据类型统一处理的。
ldc 还隐藏了一个操作：也就是"hello world"的resolve操作，也就是检测“hello world”是否已经在常量池中存在的操作。
传送门详见：Java 中new String("字面量") 中 "字面量" 是何时进入字符串常量池的?

有个很神奇的坑，《深入理解JVM》中曾经提到过这个问题，不过周志明老师是拿的"java"作为举例：
代码如下(jdk 1.7)
```

public class RuntimeConstantPoolOOM {
    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

不明白为什么"java"字符串会在执行StringBuilder.toString()之前出现过？
其实是因为：Java 标准库在JVM启动的时候加载的某些类已经包含了java字面量。

传送门：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？

方法区

上面图中说了，“hello wold”对象的value的值是放在方法区中的。如何证明呢？
这里我们可以使用反射来干一些坏事。
虽然String类是一个不可变对象，对外并没有提供如何修改value的方法，但是反射可以。

        String str1=new String("abcd");
        String str2="abcd";
        String str3="abcd";
        Field valueField = String.class.getDeclaredField("value");
        valueField.setAccessible(true);//设置访问权限
        char[] value = (char[]) valueField.get(str2);
        value[0] = '0';
        value[1] = '1';
        value[2] = '2';
        value[3] = '3';

        System.out.println(str1);
        System.out.println(str2);
        System.out.println(str3);
        String str4="abcd";
        System.out.println(str4);
        System.out.println("abcd");

可以试一试，输出结果都是0123，因为在编译的时候生成Class对象的时候，str1,str2,str3,str4都是指向的Class文件中同一个位置，而在运行的时候这个Class对象的值被修改后，所有和abcd有关的对象的value都会被改变。
相信理解了这一个例子的同学，能够对String有一个更加深刻的理解

检验

说了这么多，你真的懂了么？来看看经常出现的一些关于String的问题：

String str1 = new StringBuilder("Hel").append("lo").toString();
System.out.println(str1.intern() == str1); 
String str = "Hello";
System.out.println(str == str1);

String str1="hello";
String str2=new String("hello");
System.out.println(str2 == str1);

final String str1="hell";
String str2="hello";
String str3=str1+"o";
System.out.println(str2 == str3);

String str1="hell";
String str2="hello";
String str3=str1+"o";
System.out.println(str2 == str3);

尊重原创，转载注明出处

参考文章：
《深入理解JVM》第二版
java用这样的方式生成字符串：String str = "Hello"，到底有没有在堆中创建对象？
R大:请别再拿“String s = new String("xyz");创建了多少个String实例”来面试了吧
 Java 中new String("字面量") 中 "字面量" 是何时进入字符串常量池的?

posted @ 2018-09-27 16:31 胖毛阅读(988) 评论(2) 编辑收藏举报

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