面试话痨（四）常量在哪里呀，常量在哪里
面试话痨系列是从技术广度的角度去回答面试官提的问题，适合萌新观看！
常量在哪里呀，常量在哪里，常量在那小朋友的眼睛里
一、从一道经常问的字符串题说起
面试官：已知String s1 = "ab"，String s2 = "a" + "b"，String s3 = new String("ab")，求s1、s2、s3的相等情况。
进阶版的还会将intern()，final String s1 = "ab" 这些情况加进来。
相等的判定分为两种，equals和==。equals我们知道都是相等的，面试话痨（二）中已经详细描述过了，这里我们重点来研究下“==”的情况。
“==”考验的是我们对JVM结构和编译运行过程知识的掌握。
二、简单说下JVM内存模型
JVM内存模型这里主要说下它存数据的地方，这个地方被称作运行时数据区，主要分为三个部分：堆，栈，程序计数器。这里没有把方法区算作第四个部分，因为方法区只是一个概念。打个比方，JVM是一个房间，堆，栈，程序计数器就是鞋柜，沙发和床，那么方法区就是 吃饭的地方。吃饭的地方可以是餐桌，阳台甚至厕所。
不同版本的JDK，方法区实际指代的区域都不一样。1.6方法区是用永久代实现的，1.7是用永久代和堆，1.8是元空间加堆。方法区比较复杂，我们先把堆，栈，程序计数器熟悉了。
我们先来通过一段代码，熟悉堆，栈，程序计数器。
public void test() {
HashMap map = new HashMap(); String s1 = new String("123"); }
这段代码是如何被运行的？
首先得有个线程来执行是吧，不论是main的主线程，还是通过线程池开启的其他线程，线程被创建时，都会建立一个线程私有的栈和程序计数器。线程总会按照顺序执行一个或者多个方法，每个方法在被执行时，都会在线程私有的栈中新建一个格子，这个格子被称作帧。
我们都知道栈是一种数据结构，那为什么这里要用栈，而不是用队列呢？因为栈的特点是先进后出，这个跟我们方法调用规则一致，当方法一调用了方法二，需要方法二执行完成才能返回来执行方法一，即先进后出。
栈还分为本地方法栈和虚拟机栈。本地方法栈执行一些计算机底层C提供的方法，他们都是用native关键字修饰的，比如Object内的getClass方法。虚拟机栈执行java方法。
回归正题，当某个线程调用了test()方法时，便会在自己的私有栈中新增一帧。然后逐行执行编译后的代码，并且会用程序计数器记录代码已经执行到哪一行了。
为什么需要程序计数器呢？在面试话痨（三）中，我们讲过，CPU因为运算能力太强，所以都是通过时间片轮转制度同时做很多件事情。如果一个线程的时间片用完了，那么它就会被强行停止，为了保证下一次唤醒它时我们能继续执行，就需要准确的记住线程状态。栈只能记住线程被执行到哪一个方法（帧）了，不能记住执行到方法的哪一行了。
所以需要一个程序计数器，方便线程被再次唤醒时，准确的恢复线程的执行状态。
再说点题外话，发散一下。在线程被强行停止时，会保存线程的最新状态，尔后在线程被唤醒时，重新加载线程的最新状态，这个过程，被称为上下文切换。程序计数器就是为了上下文切换而存在的。它的存在增加了空间复杂度，但是换来了CPU的多线程运行。上下文切换主要有三种，线程间上下文切换，进程间上下文切换，用户态内核态上下文切换。
1. 线程间上下文切换。若两个线程属于不同的进程，那么此次线程间切换就是进程间切换；若是进程内部的两个线程切换，那么它的速度会快很多。因为线程间共享的区域是不用缓存再恢复的，只用缓存线程私有的栈、程序计数器信息。
2. 进程间上下文切换需要保存大量的信息，包括用户态下的虚拟内存、栈、堆，还包括内核态下的堆、栈、寄存器。一次切换往往需要浪费掉几十纳秒到几微妙的时间。
3. 内核态用户态上下文切换。内核态拥有更高的管理权限，相当于我们平常用cmd时，右键选择了以管理员身份运行。最简单的，读取文件就需要内核态的权限去读取。所以当你在代码中写下 new FileInputStream(new File("C:/aa.txt")); 时，就存在两次上下文切换，一次用户态切换成内核态，读取到文件信息，一次内核态切换回用户态，将文件信息换成用户态可以直接操作的对象。后续如果需要对外传输文件，也需要用到内核态的权限去打开Socket通道。所以就有了一个有关文件传输的优化：零拷贝技术。直接一次下发文件的拷贝，传输命令，CPU会将数据从硬盘中放到内存，将内存地址发送到Socket缓存区，再调用Socket发送数据，将6次上下文切换优化成2次。
在前端中，也有上下文切换的概念，前端中的上下文切换考察的是从一个方法进入另外一个方法后，全局变量、局部变量的预加载，以及this指针重定向到何处，和这里的不一样。
回归正题。通过上面的介绍，我们已经知道了线程在执行test()方法时，栈、帧、程序计数器是怎么配合的。并且通过了解先进先出、上下文切换做到了知其然且知其所以然。如果没有记清楚，建议再看一遍。因为后面还有更复杂的东西需要掌握。
我们已经知道了test()方法被加载时的准备工作，那在每一行的执行过程中，JVM是如何工作的？
比如 HashMap map = new HashMap(); ，这句到底干了啥？
很简单，第一步，在堆中中开辟一个空间，用于存放new HashMap()。第二步，在test()对应的帧中新建一个局部map指针，指向堆中的new HashMap(）地址。
第一步，new HashMap()在堆中开辟了一个空间。堆其实还分为很多个部分。最老派的分法是，新生代，老年代，永久代，新生代又分为又分为一个伊甸园区和两个幸存区。伊甸园就是亚当和夏娃偷吃苹果的那个伊甸园，寓意着万物之始，所以一般来说，新建的对象都是在这个伊甸园区的。当然如果对象过大，大到伊甸园区的剩余可用空间装不下，它会直接建到老年代区，如果老年代也不够，那就会触发垃圾回收。
第二步，我们都知道，这个map是个局部变量，局部变量只在方法内有效，为什么局部变量只在方法内有效？就是因为它是被建在帧中的，与帧同生共死。一个帧就是一个方法，当方法被执行完后，帧就需要从线程栈中出栈，相应地，帧中的map指针也被丢弃，new HashMap()在堆中创建的空间也会被标记为不可达（没有存活的指针指向该对象），不可达的对象会在下次GC时被JVM回收（回收前会调用finalize方法，具体逻辑面试话痨二中有介绍）。
总的来说，栈，堆，程序计数器管的是方法执行过程中的事，垃圾回收管的是方法执行完成之后的事，我们后面细说，剩下的方法执行之前的准备工作，就归方法区管了。
方法区存放着类编译后的字节码，常量，静态变量等信息（注意普通的全局变量，会在类对象被创建时，一起创建在堆中，这也是为什么静态变量、常量可以用类直接访问，而普通的全局变量需要对象创建出来以后才能访问的原因）。
对于常量，我们这里需要特别说明。方法区中有个专门的运行时常量池来存放常量，因为常量有不可修改的特性，所以如果常量值相等的引用，可以优化成一个内存地址。JVM中不同地方的"ab"和"ab"会被指向同一个地址。
另外Byte，Short，Integer，Long，Character这五个基础类的包装类的-128至127的值也会直接建立常量池，如 Integer i1 = 12; Integer i2 = 12 中，i1和i2就同时指向了常量池中的地址，所以i1 == i2 的结果是true，而-128至127以外的数，指向的就不是一个地址了。
方法区jdk1.6中是通过永久代实现的。用永久代的原因是因为懒，想跟堆用一套GC算法。但是后续发现，方法区中的静态变量、常量这种数据对象，和普通对象一样适用于堆的GC算法，但是对于类编译后的方法啊，关键字啊这些东西，不适应于GC算法。所以也就有了JDK1.7、JDK1.8中的逐渐将运行时常量池，静态变量移入堆中，将其他的信息放入独立的元空间的操作。元空间就是外部的直接内存，堆是JVM的虚拟内存。
网上一般说的移到元空间的原因有两个，一是元空间使用物理内存，理论上不会再有内存溢出的问题（内存占用过高时，cpu会通过强制失效机制将一部分数据放入磁盘，要用该部分数据时再从磁盘加载回内存。所以理论上不会再有内存溢出，只有可能CPU100%），二是使用直接内存，读取和写入的速度都会更快。但是我个人觉得，还是因为GC算法闹不合，导致了他们的分家。
关于常量池还有一些容易记混的知识，这里一并说下。常量池分为class类常量池和运行时常量池。class类常量池是在编译后产生的，是放在class文件中的，是在硬盘中的数据。而运行时常量池是class类常量池被加载到JVM后的数据，是放在内存（虚拟内存）中的。另外还有个字符串常量池，在我看来，字符串常量池只是class类常量池或者运行时常量池中的一个小类，它能被单独提出来说，是因为在JDK优化方法区的过程时，在JDK1.7中优先将字符串常量池从运行时常量池中剥离了出来，先转移到了堆中，尔后，1.8中将剩余的整个运行时常量池都转入了堆，那么也就没有了单独的字符串常量池。所以我认为，字符串常量池应该只是一个JDK1.7中的历史产物，它之所以还会被提起，就是因为JVM对于字符串常量独特的优化，这个优化也是这道面试题存在的根本原因。
以上就是关于JVM内存模型的各个部分的介绍。下面我们先试着用这部分知识，解决面试题中的一部分问题吧。
1 public static void main(String[] args) { 2 String s1 = "ab"; 3 String s2 = "ab"; 4 String s3 = new String("ab"); 5 String s4 = new String("ab"); 6 System.out.println(s1 == s2); 7 System.out.println(s1 == s3); 8 System.out.println(s3 == s4); 9 }
好好想一想，编译后的class文件是从哪里被读取到了哪里，线程是通过哪两种结构来记录程序执行步骤的，为啥是用着两种结构实现？执行第二行时，是在哪里创建的对象空间，又是在哪里保存了指向该对象的指针？执行第三、四、五行时，是新创建空间还是用老的？最终的判等结果是什么？
为什么方法内创建的变量是局部变量？为什么普通的全局变量必须通过类的对象去访问，而类中的静态变量和常量可以直接通过类名访问？
相同内容的字符串常量会指向同一个地址，还有哪些数据会有这种情况？
方法区的实现是如何改变的？为什么会这么改变？
最后，JVM的运行时数据区和运行时常量池的区别什么？运行时数据区由哪些部分组成，每个部分的作用是什么？
如果能回答出以上的问题，那么继续往下看吧，如果回答不出来，你可能有点晕了，建议休息一下再看一遍。
三、简单说下JVM编译和装载
下面代码的结果是什么？
public static void main(String[] args) { String s1 = "a" + "b"; String s2 = "ab"; System.out.println(s1 == s2); }
这两个语句是否相等，主要是要明白JVM的编译装载运行过程，主要涉及到编译和装载两步
将程序员能读懂的高级编程语言，转换成计算机能读懂的二进制语言，这个过程就是编译。
广义的编译的步骤是：词法分析，语法分析，语义分析，中间代码生成及代码优化，二进制代码生成。当然因为Java是转给JVM看的，所以Java中的编译，最终生成的不是二进制文件，而是class文件（编译不是一个简单的事，不信你试着去写一段代码：输入一段字符串，该字符串是一段数学运算，包含加、减、乘、除、正号、负号、小括号，求出该运算的最终结果）。
编译的前三步很好记，就跟我们读英语一样，先判断每个单词拼写对不对（词法分析），再判断单词的时态对不对（语法分析），再判断整句的意思是否矛盾（语义分析）。
至于中间代码生成及代码优化，就是编译器对代码的一些补充和调整。通过补充和调整让代码更规范、性能更好。比如 int daySecond = 24 * 60 * 60; ，这个编译后就是 int daySecond = 86400; 。因为无论运行时的前后代码变量是什么，daySecond的值都是86400，所以编译时会将代码直接计算成86400，提升运行时的效率。
第二步是装载，装载是通过双亲委派机制，将类的编译后信息放入方法区，然后在堆中建立指向。方法区中放的不止有类的编译信息，只是在装载这一步，只装载了类的编译信息。
比如这个“a” + "b"，“a”和“b”都是已知的不会更改的常量，不论“a” + "b"的前后有怎样的代码，它的结果都是“ab”，对于这种代码，编译时肯定就会被优化成“ab”。如图：
左边为编译之后的class，“a” + "b"已被合并。
通过第一步编译，我们知道“a” + "b"已经被优化成了"ab"，但这还并不能说明String s1 = "ab"与String s2 = "a" + "b"是"=="的，我们还得看第二步：装载。
装载就是通过包名+类名获取到指定类的字节流，将其放入方法区。方法区中包括类的基本信息，类编译后的代码，常量，变量。但是在装载这一步中，只会先将类的基本信息，类编译后的代码，常量放入方法区。并在堆中新建一个该类的对象，指向了方法区中的类信息。
装载这一步时，就会将常量放到方法区中的运行时常量池。这里就用到了上面说过的字符串常量池，若字符串常量池中已存在相同的字符串，则不会生成新的字符串。因为常量是不可更改的，所以不用担心多个指针引用同一个地址时，造成的数据水波。
因为在编译这一步，"a" + "b"被优化成了"ab"，又因为在装载这一步，又会将内容一致的字符串指向同一个地址，所以s1等于s2。
同理，大家应该能还快看出以下代码的结果
public static void main(String[] args) { String s1 = "ab"; String s2 = "a"; String s3 = s2 + "b"; System.out.println(s1 == s3); final String s4 = "a"; String s5 = s4 + "b"; System.out.println(s1 == s5); }
希望大家能通过编译和加载的原理明白为什么"a" + "b"等于"ab"，也能通过"a" + "b"等于"ab"记住编译和加载的原理。
四、简单说下剩下的JVM链接和初始化
链接分为了三步
① 验证 ： 校验类的格式，数据，符号的正确性。验证时的异常也属于编译时异常，与编译阶段的主要区别是，编译阶段是在某个文件内部验证语法语义的正确性，链接中的校验是通过类之间的调用关系，链起来判断代码的正确性。
② 准备： 预加载类的静态变量，并赋初始值0、null
③ 解析： 将类中的符号引用转换成直接引用，如类A中引用了类B，那么在编译时我们并不能确认类B的实际的地址，所以只能先用符号引用占位，等到解析时再转换成直接引用
初始化主要是将链接的准备阶段中的静态变量，替换成实际的值。以及执行静态代码块，执行的顺序是优先父类的静态代码执行。
使用就是利用JVM中的栈、程序计数器、堆，去执行实际的代码逻辑，操作对应数据，获取代码结果。
五、总结及发散
JVM的相关知识，其实可以通过三个阶段来记，使用前，使用中，使用后。
使用前需要做好准备，包括校验程序员写的代码，再转换成JVM能读懂的代码，再根据需要加载当前需要的一部分代码，并把一部分可以提前确定的数据初始化。
使用中则根据使用前准备好的代码和数据，一行一行的执行代码。通过栈记录线程，通过栈记录方法，通过程序计数器记录执行到哪一行，通过堆记录代码执行过程中所需的数据。
使用后则需要有专门的清洁工收拾残余垃圾，也就是GC。具体的看后续专门介绍（面试话痨N）。
希望大家能够通过String的几道面试题，记牢JVM使用前，使用中的过程及原理。
