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class文件常量池和运行时常量池比对

2016年07月21日 Java 暂无评论 阅读 848 views 次

在学习JVM过程中,接触到常量池这个概念,后来发现不仅仅有一个运行时常量池概念,还有一个class文件常量池概念,使得本来不懂的我更加迷惑了。要想理解,那么就得对这两者进行比较理解,加深记忆。

那么,我们先看一下JVM运行时数据区:

Java虚拟机的基本结构

其中,

程序计数器(PC计数器):是JVM执行程序的流水线,存放一些跳转指令。

本地方法栈:是JVM调用操作系统方法所使用的栈。

虚拟机栈:是JVM调用Java代码所使用的栈。

方法区:存放一些常量、静态变量、类信息等,可以理解成class文件在内存中的存放位置。

虚拟机堆:是JVM执行Java代码所使用的堆。

那么,我们要了解的Java常量池实际上分为两种形态:静态常量池(class文件常量池)和运行时常量池

所谓静态常量池,即*.class文件中的常量池,class文件中的常量池不仅仅包含字符串(数字)字面量,还包括类、方法的信息,占用class文件绝大部分空间。

运行时常量池,则是JVM虚拟机在完成类装载操作后,将class文件中的常量池载入带内存中,并保存在方法区中,我们常说的常量池就是值方法区中的运行时常量池。

实例

  1. String s1 = "Hello";
  2. String s2 = "Hello";
  3. String s3 = "Hel" + "lo";
  4. String s4 = "Hel" + new String("lo");
  5. String s5 = new String("Hello");
  6. String s6 = s5.intern();
  7. String s7 = "H";
  8. String s8 = "ello";
  9. String s9 = s7 + s8;
  10. System.out.println(s1 == s2);  // true
  11. System.out.println(s1 == s3);  // true
  12. System.out.println(s1 == s4);  // false
  13. System.out.println(s1 == s9);  // false
  14. System.out.println(s4 == s5);  // false
  15. System.out.println(s1 == s6);  // true

下面对上述例子进行相关说明,我们都知道在Java中,直接使用==操作符,比较的是两个字符串的引用地址,并不是比较字符串的值(内容),如果比较呢内容则使用String.equals()方法。

s1==s2这个非常好理解,s1、s2在赋值的时候,均使用的是字符串字面量,也就是说直接把字符串写死,在编译期间,这种字面量会直接放入class文件的常量池中,从而实现复用,载入运行时常量池后,s1、s2指向的是同一个内存地址,所以相等。

s1==s3是一个坑s3虽然是动态拼接出来的字符串,但是所有参加拼接的部分都是已知的字面量,在编译期间,这种拼接会被优化,编译器直接帮你拼接好,因此String s3 = “Hel”+“lo”;在class文件中被优化成String s3="Hello";所以s1 == s3成立。

s1==s4当然不相等,s4虽然也是拼接出来的,但是new String("lo")这部分不是已知字面量,是一个不可预料的部分,编译器不会进行优化,必须等到运行时才可以确定结果,结合字符串不变定理,不知道s4会被分配到那里去了,所以地址肯定不同。

String1

s1==s9也不相等,道理差不多,虽然s7、s8在赋值的时候使用的字符串字面量,但是拼接成s9的时候,s7、s8作为两个变量,都是不可预料的,编译器毕竟 是编译器,不可能当解释器用,所以不做优化,等到运行时,s7、s8拼接成的新字符串,在堆中地址不确定,不可能与方法区常量池中的s1地址相同。

String2

s4==s5已经不用解释了,绝对不相等,二者都在堆中,但地址不同。

s1==s6这两个相等完全归功于intern方法,s5在堆中,内容为Hello ,intern方法会尝试将Hello字符串添加到常量池中,并返回其在常量池中的地址,因为常量池中已经有了Hello字符串,所以intern方法直 接返回地址;而s1在编译期就已经指向常量池了,因此s1和s6指向同一地址,相等。

至此,我们可以得出三个非常重要的结论:

  • 必须要关注编译期的行为才能更好地理解常量池。
  • 运行时常量池中的常量,基本来源于各个class文件中的常量池。
  • 程序运行时,除非手动向常量池中添加常量(比如调用intern方法),否则JVM不会自动添加常量到常量池。

以上所讲仅涉及字符串常量池,实际上还有整型常量池、浮点型常量池等等,但都大同小异,只不过数值类型的常量池不可以手动添加常量,程序启动时常量池中的常量就已经确定了,比如整型常量池中的常量范围:-128~127,只有合格范围的数字可以用到常量池。

理解

下面让我们触摸一下真正的常量池。

前面讲过,class文件中存在一个静态常量池,这个常量池是由编译器生成的,用来存储Java源文件中的字面量。

假设我们有如下Java代码:

  1. String s1 = "Hello";

为了方便起见,就这么简单,没错!将代码编译成class文件后,用winhex打开二进制格式的class文件。如图:String3

简单讲一下class文件的结构,开头的4个字节是class文件魔数,用CA FE BA BE来标识这是一个class文件。

紧接着4个字节是Java的版本号,版本号的高低和JDK版本的高低相对应,高版本兼容低版本,但是低版本无法执行高版本。所以如果想知道别人的class文件是用什么JDK版本编译的,就可以看这4个字节。

接下来就是常量池入口,入口处用2个字节标识常量池常量数量,本例中数值为 00 1A,转换成十进制等于26,也就是说有25个常量,其中第0个常量是特殊值,所以只有25个常量。

常量池中存放了各种类型的常量,它们都有自己的类型,并且都有自己的存储规范,这里只关注字符串常量,字符串常量以01开头(1个字节),接着用2个字节记录字符串长度,然后就是字符串实际内容,本例中为:

标识      长度      实际内容

01       00 02      68 69

接下来再说说运行时常量池,由于运行时常量池在方法区中,我们可以通过JVM参数:-XX:PermSize、-XXMaxPermSize来设置方法区大小,从而简介限制常量池大小。

假设JVM启动参数为:-XX:PermSize=2M -XX:MaxPermSize=2M,然后运行如下代码:

  1. //保持引用,防止自动垃圾回收
  2. List<String> list = new ArrayList<String>();
  3. int i = 0;
  4. while(true){
  5.     //通过intern方法向常量池中手动添加常量
  6.     list.add(String.valueOf(i++).intern());
  7. }

程序立刻会抛出:Exception in thread "main" java.lang.outOfMemoryError: PermGen space异常。PermGen space正是方法区,足以说明常量池在方法区中。

在jdk8中,移除了方法区,转而用Metaspace区域替代,所以我们需要使用新的jvm参数:-XX:MaxMetaspaceSize=2M, 依然运行如上代码,抛出:java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace异常。同理说明运行时常量池是划分在Metaspace区域中。具体关于Metaspace区域的知识,请读者自行搜索。

参考资料

深入理解Java虚拟机

书名: 深入理解Java虚拟机:JVM高级特性与最佳实践(第2版)

作者:周志明

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