java String的深入理解

一、Java內(nèi)存模型 

按照官方的說法：Java 虛擬機具有一個堆，堆是運行時數(shù)據(jù)區(qū)域，所有類實例和數(shù)組的內(nèi)存均從此處分配。    

JVM主要管理兩種類型內(nèi)存：堆和非堆，堆內(nèi)存（Heap Memory）是在 Java 虛擬機啟動時創(chuàng)建，非堆內(nèi)存(Non-heap Memory)是在JVM堆之外的內(nèi)存。

簡單來說，非堆包含方法區(qū)、JVM內(nèi)部處理或優(yōu)化所需的內(nèi)存（如 JITCompiler，Just-in-time Compiler，即時編譯后的代碼緩存）、每個類結構（如運行時常數(shù)池、字段和方法數(shù)據(jù)）以及方法和構造方法的代碼。     

Java的堆是一個運行時數(shù)據(jù)區(qū),類的(對象從中分配空間。這些對象通過new、newarray、 anewarray和multianewarray等指令建立，它們不需要程序代碼來顯式的釋放。

堆是由垃圾回收來負責的，堆的優(yōu)勢是可以動態(tài)地分配內(nèi)存大小，生存期也不必事先告訴編譯器，因為它是在運行時動態(tài)分配內(nèi)存的，Java的垃圾收集器會自動收走這些不再使用的數(shù)據(jù)。但缺點是，由于要在運行時動態(tài)分配內(nèi)存，存取速度較慢。 　　

棧的優(yōu)勢是，存取速度比堆要快，僅次于寄存器，棧數(shù)據(jù)可以共享。但缺點是，存在棧中的數(shù)據(jù)大小與生存期必須是確定的，缺乏靈活性。棧中主要存放一些基本類型的變量數(shù)據(jù)（int, short, long, byte, float, double, boolean, char）和對象句柄(引用)。     

虛擬機必須為每個被裝載的類型維護一個常量池。常量池就是該類型所用到常量的一個有序集合，包括直接常量（string,integer和 floating point常量）和對其他類型，字段和方法的符號引用。 　　

對于String常量，它的值是在常量池中的。而JVM中的常量池在內(nèi)存當中是以表的形式存在的， 對于String類型，有一張固定長度的CONSTANT_String_info表用來存儲文字字符串值，注意：該表只存儲文字字符串值，不存儲符號引用。說到這里，對常量池中的字符串值的存儲位置應該有一個比較明了的理解了。在程序執(zhí)行的時候,常量池會儲存在Method Area,而不是堆中。常量池中保存著很多String對象; 并且可以被共享使用，因此它提高了效率 

二、案例解析

public static void main(String[] args) { 
    /** 
     * 情景一：字符串池 
     * JAVA虛擬機(JVM)中存在著一個字符串池，其中保存著很多String對象; 
     * 并且可以被共享使用，因此它提高了效率。 
     * 由于String類是final的，它的值一經(jīng)創(chuàng)建就不可改變。 
     * 字符串池由String類維護，我們可以調(diào)用intern()方法來訪問字符串池。 
     */ 
    String s1 = "abc";   
    //↑ 在字符串池創(chuàng)建了一個對象 
    String s2 = "abc";   
    //↑ 字符串pool已經(jīng)存在對象“abc”(共享),所以創(chuàng)建0個對象，累計創(chuàng)建一個對象 
    System.out.println("s1 == s2 : "+(s1==s2));  
    //↑ true 指向同一個對象， 
    System.out.println("s1.equals(s2) : " + (s1.equals(s2)));  
    //↑ true 值相等 
    //↑------------------------------------------------------over 
    /** 
     * 情景二：關于new String("") 
     * 
     */ 
    String s3 = new String("abc"); 
    //↑ 創(chuàng)建了兩個對象，一個存放在字符串池中，一個存在與堆區(qū)中； 
    //↑ 還有一個對象引用s3存放在棧中 
    String s4 = new String("abc"); 
    //↑ 字符串池中已經(jīng)存在“abc”對象，所以只在堆中創(chuàng)建了一個對象 
    System.out.println("s3 == s4 : "+(s3==s4)); 
    //↑false  s3和s4棧區(qū)的地址不同，指向堆區(qū)的不同地址； 
    System.out.println("s3.equals(s4) : "+(s3.equals(s4))); 
    //↑true s3和s4的值相同 
    System.out.println("s1 == s3 : "+(s1==s3)); 
    //↑false 存放的地區(qū)多不同，一個棧區(qū)，一個堆區(qū) 
    System.out.println("s1.equals(s3) : "+(s1.equals(s3))); 
    //↑true 值相同 
    //↑------------------------------------------------------over 
    /** 
     * 情景三： 
     * 由于常量的值在編譯的時候就被確定(優(yōu)化)了。 
     * 在這里，"ab"和"cd"都是常量，因此變量str3的值在編譯時就可以確定。 
     * 這行代碼編譯后的效果等同于： String str3 = "abcd"; 
     */ 
    String str1 = "ab" + "cd"; //1個對象 
    String str11 = "abcd";  
    System.out.println("str1 = str11 : "+ (str1 == str11)); 
    //↑------------------------------------------------------over 
    /** 
     * 情景四： 
     * 局部變量str2,str3存儲的是存儲兩個拘留字符串對象(intern字符串對象)的地址。 
     * 
     * 第三行代碼原理(str2+str3)： 
     * 運行期JVM首先會在堆中創(chuàng)建一個StringBuilder類， 
     * 同時用str2指向的拘留字符串對象完成初始化， 
     * 然后調(diào)用append方法完成對str3所指向的拘留字符串的合并， 
     * 接著調(diào)用StringBuilder的toString()方法在堆中創(chuàng)建一個String對象， 
     * 最后將剛生成的String對象的堆地址存放在局部變量str3中。 
     * 
     * 而str5存儲的是字符串池中"abcd"所對應的拘留字符串對象的地址。 
     * str4與str5地址當然不一樣了。 
     * 
     * 內(nèi)存中實際上有五個字符串對象： 
     *    三個拘留字符串對象、一個String對象和一個StringBuilder對象。 
     */ 
    String str2 = "ab"; //1個對象 
    String str3 = "cd"; //1個對象                     
    String str4 = str2+str3;                    
    String str5 = "abcd";  
    System.out.println("str4 = str5 : " + (str4==str5)); // false 
    //↑------------------------------------------------------over 
    /** 
     * 情景五： 
     * JAVA編譯器對string + 基本類型/常量 是當成常量表達式直接求值來優(yōu)化的。 
     * 運行期的兩個string相加，會產(chǎn)生新的對象的，存儲在堆(heap)中 
     */ 
    String str6 = "b"; 
    String str7 = "a" + str6; 
    String str67 = "ab"; 
    System.out.println("str7 = str67 : "+ (str7 == str67)); 
    //↑str6為變量，在運行期才會被解析。 
    final String str8 = "b"; 
    String str9 = "a" + str8; 
    String str89 = "ab"; 
    System.out.println("str9 = str89 : "+ (str9 == str89)); 
    //↑str8為常量變量，編譯期會被優(yōu)化 
    //↑------------------------------------------------------over 
  }

總結：

1.String類初始化后是不可變的(immutable)

這一說又要說很多，大家只要知道String的實例一旦生成就不會再改變了，比如說：String str=”kv”+”ill”+” “+”ans”; 就是有4個字符串常量，首先”kv”和”ill”生成了”kvill”存在內(nèi)存中，然后”kvill”又和” ” 生成 “kvill “存在內(nèi)存中，最后又和生成了”kvill ans”;并把這個字符串的地址賦給了str,就是因為String的”不可變”產(chǎn)生了很多臨時變量，這也就是為什么建議用StringBuffer的原 因了，因為StringBuffer是可改變的。

　　 下面是一些String相關的常見問題：

String中的final用法和理解 
final StringBuffer a = new StringBuffer(“111”); 
final StringBuffer b = new StringBuffer(“222”); 
a=b;//此句編譯不通過 final StringBuffer a = new StringBuffer(“111”); 
a.append(“222”);// 編譯通過

可見，final只對引用的”值”(即內(nèi)存地址)有效，它迫使引用只能指向初始指向的那個對象，改變它的指向會導致編譯期錯誤。至于它所指向的對象的變化，final是不負責的。

2.代碼中的字符串常量在編譯的過程中收集并放在class文件的常量區(qū)中，如”123”、”123”+”456”等，含有變量的表達式不會收錄，如”123”+a。

3.JVM在加載類的時候，根據(jù)常量區(qū)中的字符串生成常量池，每個字符序列如”123”會生成一個實例放在常量池里，這個實例是不在堆里的，也不會被GC，這個實例的value屬性從源碼的構造函數(shù)看應該是用new創(chuàng)建數(shù)組置入123的，所以按我的理解此時value存放的字符數(shù)組地址是在堆里，如果有誤的話歡迎大家指正。

4.使用String不一定創(chuàng)建對象

在執(zhí)行到雙引號包含字符串的語句時，如String a = “123”，JVM會先到常量池里查找，如果有的話返回常量池里的這個實例的引用，否則的話創(chuàng)建一個新實例并置入常量池里。如果是 String a = “123” + b (假設b是”456”)，前半部分”123”還是走常量池的路線，但是這個+操作符其實是轉(zhuǎn)換成[SringBuffer].Appad()來實現(xiàn)的，所以最終a得到是一個新的實例引用，而且a的value存放的是一個新申請的字符數(shù)組內(nèi)存空間的地址(存放著”123456”)，而此時”123456”在常量池中是未必存在的。

要注意: 我們在使用諸如String str = “abc”；的格式定義類時，總是想當然地認為，創(chuàng)建了String類的對象str。擔心陷阱！對象可能并沒有被創(chuàng)建！而可能只是指向一個先前已經(jīng)創(chuàng)建的對象。只有通過new()方法才能保證每次都創(chuàng)建一個新的對象

5.使用new String，一定創(chuàng)建對象

在執(zhí)行String a = new String(“123”)的時候，首先走常量池的路線取到一個實例的引用，然后在堆上創(chuàng)建一個新的String實例，走以下構造函數(shù)給value屬性賦值，然后把實例引用賦值給a：

public String(String original) {
  int size = original.count;
  char[] originalValue = original.value;
  char[] v;
   if (originalValue.length > size) {
     // The array representing the String is bigger than the new
     // String itself. Perhaps this constructor is being called
     // in order to trim the baggage, so make a copy of the array.
      int off = original.offset;
      v = Arrays.copyOfRange(originalValue, off, off+size);
   } else {
     // The array representing the String is the same
     // size as the String, so no point in making a copy.
    v = originalValue;
   }
  this.offset = 0;
  this.count = size;
  this.value = v;
  }

從中我們可以看到，雖然是新創(chuàng)建了一個String的實例，但是value是等于常量池中的實例的value，即是說沒有new一個新的字符數(shù)組來存放”123”。

如果是String a = new String(“123”+b)的情況，首先看回第4點，”123”+b得到一個實例后，再按上面的構造函數(shù)執(zhí)行。

6.String.intern()

String對象的實例調(diào)用intern方法后，可以讓JVM檢查常量池，如果沒有實例的value屬性對應的字符串序列比如”123”(注意是檢查字符串序列而不是檢查實例本身)，就將本實例放入常量池，如果有當前實例的value屬性對應的字符串序列”123”在常量池中存在，則返回常量池中”123”對應的實例的引用而不是當前實例的引用，即使當前實例的value也是”123”。

public native String intern();

存在于.class文件中的常量池，在運行期被JVM裝載，并且可以擴充。String的 intern()方法就是擴充常量池的 一個方法；當一個String實例str調(diào)用intern()方法時，Java 查找常量池中 是否有相同Unicode的字符串常量，如果有，則返回其的引用，如果沒有，則在常 量池中增加一個Unicode等于str的字符串并返回它的引用；看示例就清楚了

/**
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 */
public static void main(String[] args) {
    String s0 = "kvill"; 
    String s1 = new String("kvill"); 
    String s2 = new String("kvill"); 
    System.out.println( s0 == s1 ); //false
    System.out.println( "**********" ); 
    s1.intern(); //雖然執(zhí)行了s1.intern(),但它的返回值沒有賦給s1
    s2 = s2.intern(); //把常量池中"kvill"的引用賦給s2 
    System.out.println( s0 == s1); //flase
    System.out.println( s0 == s1.intern() ); //true//說明s1.intern()返回的是常量池中"kvill"的引用
    System.out.println( s0 == s2 ); //true
  }

最后我再破除一個錯誤的理解：有人說，“使用 String.intern() 方法則可以將一個 String 類的保存到一個全局 String 表中 ，如果具有相同值的 Unicode 字符串已經(jīng)在這個表中，那么該方法返回表中已有字符串的地址，如果在表中沒有相同值的字符串，則將自己的地址注冊到表中”如果我把他說的這個全局的 String 表理解為常量池的話，他的最后一句話，”如果在表中沒有相同值的字符串，則將自己的地址注冊到表中”是錯的：

public static void main(String[] args) {    
    String s1 = new String("kvill"); 
    String s2 = s1.intern(); 
    System.out.println( s1 == s1.intern() ); //false
    System.out.println( s1 + " " + s2 ); //kvill kvill
    System.out.println( s2 == s1.intern() ); //true
  }

在這個類中我們沒有聲名一個”kvill”常量，所以常量池中一開始是沒有”kvill”的，當我們調(diào)用s1.intern()后就在常量池中新添加了一 個”kvill”常量，原來的不在常量池中的”kvill”仍然存在，也就不是“將自己的地址注冊到常量池中”了。

　　 s1==s1.intern() 為false說明原來的”kvill”仍然存在；s2現(xiàn)在為常量池中”kvill”的地址，所以有s2==s1.intern()為true。

StringBuffer與StringBuilder的區(qū)別，它們的應用場景是什么？

jdk的實現(xiàn)中StringBuffer與StringBuilder都繼承自AbstractStringBuilder，對于多線程的安全與非安全看到StringBuffer中方法前面的一堆synchronized就大概了解了。

這里隨便講講AbstractStringBuilder的實現(xiàn)原理：我們知道使用StringBuffer等無非就是為了提高java中字符串連接的效率，因為直接使用+進行字符串連接的話，jvm會創(chuàng)建多個String對象，因此造成一定的開銷。AbstractStringBuilder中采用一個char數(shù)組來保存需要append的字符串，char數(shù)組有一個初始大小，當append的字符串長度超過當前char數(shù)組容量時，則對char數(shù)組進行動態(tài)擴展，也即重新申請一段更大的內(nèi)存空間，然后將當前char數(shù)組拷貝到新的位置，因為重新分配內(nèi)存并拷貝的開銷比較大，所以每次重新申請內(nèi)存空間都是采用申請大于當前需要的內(nèi)存空間的方式，這里是2倍，

StringBuffer 始于 JDK 1.0

StringBuilder 始于 JDK 1.5

從 JDK 1.5 開始，帶有字符串變量的連接操作（+），JVM 內(nèi)部采用的是
StringBuilder 來實現(xiàn)的，而之前這個操作是采用 StringBuffer 實現(xiàn)的。

我們通過一個簡單的程序來看其執(zhí)行的流程：

/**
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 */
public class Buffer { 
   public static void main(String[] args) { 
      String s1 = "aaaaa"; 
      String s2 = "bbbbb"; 
      String r = null; 
      int i = 3694; 
      r = s1 + i + s2;  

      for(int j=0;i<10;j++){ 
        r+="23124"; 
      } 
   } 
}

使用命令javap -c Buffer查看其字節(jié)碼實現(xiàn)：

將清單1和清單2對應起來看，清單2的字節(jié)碼中l(wèi)dc指令即從常量池中加載“aaaaa”字符串到棧頂，istore_1將“aaaaa”存到變量1中，后面的一樣，sipush是將一個短整型常量值(-32768~32767)推送至棧頂，這里是常量“3694”。  

讓我們直接看到13,13~17是new了一個StringBuffer對象并調(diào)用其初始化方法，20 ~ 21則是先通過aload_1將變量1壓到棧頂，前面說過變量1放的就是字符串常量“aaaaa”，接著通過指令invokevirtual調(diào)用StringBuffer的append方法將“aaaaa”拼接起來，后續(xù)的24 ~ 30同理。最后在33調(diào)用StringBuffer的toString函數(shù)獲得String結果并通過astore存到變量3中。  

看到這里可能有人會說，“既然JVM內(nèi)部采用了StringBuffer來連接字符串了，那么我們自己就不用用StringBuffer，直接用”+“就行了吧！“。是么？當然不是了。俗話說”存在既有它的理由”，讓我們繼續(xù)看后面的循環(huán)對應的字節(jié)碼。  

37~ 42都是進入for循環(huán)前的一些準備工作，37,38是將j置為1。44這里通過if_icmpge將j與10進行比較，如果j大于10則直接跳轉(zhuǎn)到73，也即return語句退出函數(shù)；否則進入循環(huán)，也即47~66的字節(jié)碼。這里我們只需看47到51就知道為什么我們要在代碼中自己使用StringBuffer來處理字符串的連接了，因為每次執(zhí)行“+”操作時jvm都要new一個StringBuffer對象來處理字符串的連接，這在涉及很多的字符串連接操作時開銷會很大。

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