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深入分析String.intern和String常量的实现原理

深入分析String.intern和String常量的实现原理

作者: 美团Java | 来源:发表于2016-12-08 18:26 被阅读4579次

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    简书占小狼
    http://www.jianshu.com/users/90ab66c248e6/latest_articles

    背景

    字符串类型在实际应用场景中使用非常频繁,如果为每个字符串常量都生成一个对应的String对象,明显会造成内存的浪费,针对这一问题,虚拟机实现一个字符串常量池的概念,提供了如下实现:
    1、同一个字符串常量,在常量池只有一份副本;
    2、通过双引号声明的字符串,直接保存在常量池中;
    3、如果是String对象,可以通过String.intern方法,把字符串常量保存到常量池中;

    本文JVM源码版本 openjdk-7-fcs-src-b147-27

    疑惑

    在不同环境执行上述代码,会得到不同的结果,为什么?
    1、JDK1.6的结果:false false
    2、JDK1.7的结果:true false

    解惑

    其中String.intern在java中是native方法,JDK1.7的注释如下:

    1、执行intern方法时,如果常量池中存在和String对象相同的字符串,则返回常量池中对应字符串的引用;
    2、如果常量池中不存在对应的字符串,则添加该字符串到常量中,并返回字符串引用;

    HotSpot1.6实现

    常量池的内存在永久代进行分配,永久代和Java堆的内存是物理隔离的,执行intern方法时,如果常量池不存在该字符串,虚拟机会在常量池中复制该字符串,并返回引用,使用intern方法时需要谨慎,避免常量池中字符串过多,导致性能变慢,甚至发生PermGen内存溢出。

    显然s.intern() == s不可能成立.

    HotSpot1.7实现

    intern方法的HotSpot实现入口位于openjdk\jdk\src\share\native\java\lang\String.c文件中:

    其中JVM_InternString声明位于openjdk\hotspot\src\share\vm\prims\jvm.cpp文件中:

    String.intern最终通过StringTable.intern方法实现,其中StringTable是HotSpot字符串常量池的具体实现,1.7的常量池已经在Java堆上分配内存。

    常量池的初始化

    常量池的实现非常简单,类似JDK中的HashMap,其中StringTable的声明位于symbolTable.hpp文件中:

    StringTable最终继承了BasicHashtable,通过构造方法参数指定常量池的大小StringTableSize,默认为1009,StringTableSize定义在globals.hpp文件中:

    不过在Java7u40版本之后StringTableSize扩大到了60013,可以通过-XX:StringTableSize = 10009设置StringTable大小,通过-XX:+PrintFlagsFinal打印虚拟机的Global flags参数,可以获得当前StringTable的大小。

    BasicHashtable实现

    1、initialize方法初始化常量池的基本值:_table_size、_entry_size等;
    2、NEW_C_HEAP_ARRAY方法在堆上分配HashtableBucket;
    3、清空StringTable中的HashtableBucket数据;

    StringTable.intern实现

    1、其中参数string_or_null为指向原字符串的句柄,name是String对象中字符数组的拷贝、len为字符数组的长度;
    2、java_lang_String::hash_string方法计算出字符串的hash值,实现如下:

    3、BasicHashtable.hash_to_index方法计算出该hash值在StringTable中桶的位置index,实现如下:

    4、StringTable::lookup方法判断StringTable指定位置的桶中是否存在相等的字符串,实现如下:

    lookup方法通过遍历HashtableEntry链表,如果找到对应的hash值,且字符串值也相等,说明StringTable中已经存在该字符串,则返回该字符串引用,否则返回NULL;
    5、如果StringTable不存在该字符串,则通过StringTable::basic_add方法添加字符串引用到StringTable,实现如下:

    basic_add方法中的条件判断!string_or_null.is_null()为true,!JavaObjectsInPerm为true,所以并不会进行字符串的复制,而是通过HashtableEntry对象封装原字符串的hash值和指向源字符串的句柄,添加到StringTable对应bucket的链表中,并返回指向原字符串句柄;其中变量JavaObjectsInPerm默认为false,定义如下:

    通过上述分析:HotSpot1.7实现的常量池在java堆上分配内存,执行intern方法时,如果常量池已经存在相等的字符串,则直接返回字符串引用,否则复制该字符串引用到常量池中并返回;

    1、对于变量s1,常量池中不存在"StringTest",所以s1.intern()和 s1都是指向Java堆上的String对象;
    2、对于变量s2,常量池中一开始就已经存在"java"字符串,s2.intern()方法返回的是另外一个"java"字符串对象,所以s2.intern()和s2指向的并非同一个对象;

    字符串常量如何实现?

    类似String s = "hello java"的字符串常量声明,在HotSpot中是如何实现的呢?

    其中字符串常量"hello java"会在编译过程中被保存在class文件的Constant pool数据结构中,如下是编译字节码实现:

    String s = "hello java"对应了两条字节码实现:
    1、ldc #2
    2、astore_1

    其中ldc指令的实现在interpreterRuntime.cpp文件中,实现如下:

    ldc指令中会根据获取的常量类型进行不同操作,由于目前是字符串常量,从而调用pool->string_at(index, CHECK)逻辑,实现如下:

    其中h_this是指向当前constantPoolOop实例的句柄,最后调用string_at_impl方法:

    字符串常量一开始以Symbol类型表示,最终通过StringTable::intern方法生成字符串对象,并把字符串的真实引用更新到constantPool中,这样下次执行ldc指令时可以直接返回对象引用。


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      网友评论

      • markRao:字符串是由什么组成的?char?
      • DoubleShell:之前一直不是特别明白,网上看了其他一些解释还是不太懂,看了这里面的两个图就懂了,感谢博主。不过我不太明白图里面的空心圆圈表示什么?
      • c1d2cf020664:对于变量s2,常量池中一开始就已经存在"java"字符,为啥一开始就存在?
        N3verL4nd:好奇宝宝:
        https://www.zhihu.com/question/51102308/answer/124441115
        landy8530:狼哥,你好,我用Jrocket1.6试了一下,结果有点以外。
        String s1 = new StringBuffer("hello").append("world").toString();
        System.out.println(s1.intern() == s1);

        String s2 = new StringBuffer("ja").append("va").toString();
        System.out.println(s2.intern() == s2);
        结果如下:
        "C:\Program Files (x86)\Java\jrockit-jdk1.6.0_45-R28.2.7-4.1.0\bin\java"
        true
        true
        能麻烦有空的时候解释一下吗?谢谢!
        程序员驿站:应该jvm已经把‘ java’这个字符串就放到常量池
      • d873b92c2329:String x2 = new StringBuilder().append("bbb").toString();
        System.out.println(x2.intern() == x2);
        jdk1.7 为false
        String x2 = "bbb";
        System.out.println(x2.intern() == x2);
        jdk1.7 为true
        麻烦楼主帮忙看一下 为何同样1.7 和楼主示例代码结果不一致呢 谢谢
        山_3c05:第一个x2对象的intern方法会在常量池中复制一个bbb并返回常量池中的引用,x2是在堆上面初始化的地址,两个地址不一样,第二个是常量池中已经有了bbb,intern方法直接返回了bbb的地址引用,在String x2 = "bbb";的时候双引号直接放到了常量池中,无论物理地址还是值都是一样的!所以是true
        木易爽:第一个X2是在堆里面得对象 而 x2.intern()是会在常量池里面分配 所以 为flase
        第二个 X2="bbb"这样得数据本身就会在常量分配 所以 x2.intern()==x2 为true
      • wcyong:很不错,java大牛
        d873b92c2329:String x2 = new StringBuilder().append("bbb").toString();
        System.out.println(x2.intern() == x2);
        jdk1.7 为false
        String x2 = "bbb";
        System.out.println(x2.intern() == x2);
        jdk1.7 为true
        麻烦楼主帮忙看一下 为何同样1.7 和楼主示例代码结果不一致呢 谢谢
        美团Java:@wcyong 多谢支持
      • 10bbe900ffc4:贴不下,删除了好些守护线程,如能赐教甚为感谢
        "pool-1-thread-1" prio=6 tid=0x4e86b000 nid=0x238c waiting on condition [0x4ec0f000]
        java.lang.Thread.State: WAITING (parking)
        - parking to wait for <0x04da7e30> (a java.util.concurrent.FutureTask$Sync)
        at java.util.concurrent.locks.LockSupport.park(LockSupport.java:186)
        java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.parkAndCheckInterrupt(AbstractQueuedSynchronizer.java:834)
        java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.doAcquireSharedInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:994)
        at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquireSharedInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:1303)
        at java.util.concurrent.FutureTask$Sync.innerGet(FutureTask.java:248)
        at java.util.concurrent.FutureTask.get(FutureTask.java:111)
        Locked ownable synchronizers:
        - <0x04925880> (a java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker)


        "Finalizer" daemon prio=8 tid=0x4e7a1000 nid=0x2028 in Object.wait() [0x4ebbf000]
        java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
        at java.lang.Object.wait(Native Method)
        - waiting on <0x04835188> (a java.lang.ref.ReferenceQueue$Lock)
        at java.lang.ref.ReferenceQueue.remove(ReferenceQueue.java:135)

        "Reference Handler" daemon prio=10 tid=0x4e79c400 nid=0x2190 in Object.wait() [0x4ea4f000]
        java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
        at java.lang.Object.wait(Native Method)
        - waiting on <0x04834d90> (a java.lang.ref.Reference$Lock)
        at java.lang.Object.wait(Object.java:503)

        "main" prio=6 tid=0x0018f000 nid=0x1d68 waiting on condition [0x00c8f000]
        java.lang.Thread.State: WAITING (parking)
        at sun.misc.Unsafe.park(Native Method)
        - parking to wait for <0x049257e0> (a java.util.concurrent.FutureTask$Sync)
        at java.util.concurrent.locks.LockSupport.park(LockSupport.java:186)
        java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.parkAndCheckInterrupt(AbstractQueuedSynchronizer.java:834)
        美团Java:@treenewtreenew 线程池在执行到a.get()的时候,被park挂起,提交的ATask在队列中,并不会被执行,这个时候程序已经不动了,也不会消耗cpu,切确的说这种不算是死锁,该线程只是一直在waiting,就是下面这段
        "pool-1-thread-1" prio=6 tid=0x4e86b000 nid=0x238c waiting on condition [0x4ec0f000]
        java.lang.Thread.State: WAITING (parking)
        - parking to wait for <0x04da7e30> (a java.util.concurrent.FutureTask$Sync)
        at java.util.concurrent.locks.LockSupport.park(LockSupport.java:186)
        java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.parkAndCheckInterrupt(AbstractQueuedSynchronizer.java:834)
        java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.doAcquireSharedInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:994)
        at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquireSharedInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:1303)
        at java.util.concurrent.FutureTask$Sync.innerGet(FutureTask.java:248)
        at java.util.concurrent.FutureTask.get(FutureTask.java:111)
        Locked ownable synchronizers:
        - <0x04925880> (a java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker)
        10bbe900ffc4:@占小狼 是啊。
        我是让它“线程饥饿死锁”:单线程的线程池提交了两个任务ATask,CTask,且CTask要等待ATask任务的结果。
        private static class CTask implements Callable<String>{

        @Override
        public String call() throws Exception {
        // TODO Auto-generated method stub
        Future<String> a = exec.submit(new ATask());
        return a.get();
        }

        }
        美团Java:@treenewtreenew 单线程并不会发生死锁啊,发生死锁只可能在多线程环境,线程1获取锁A,等待锁B,线程2获取锁B,等待锁A,这样才是死锁
      • 10bbe900ffc4:占小狼,请教一个并发编程实战书上的问题“线程饥饿死锁”,我理解的意思是任务间有依赖性,且多个任务提交到个数较少的线程池中,典型的是几个任务提交到单线程线程池中,又相互依赖出现线程饥饿死锁。于是就写了下面这个很简单的例子,我的问题是:
        确实发生了死锁,可是我看线程dump不知道怎么才能分辨出哪几个线程发生了死锁,检测死锁也没有检测到(我用的是jdk自带的VisualVM)。

        代码(线程dump下一贴再贴):
        private static ExecutorService exec = Executors.newSingleThreadExecutor();

        public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub

        Future<String> c = exec.submit(new CTask());

        try {
        System.out.println(c.get());
        } catch (InterruptedException e) {
        // TODO Auto-generated catch block
        e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
        // TODO Auto-generated catch block
        e.printStackTrace();
        }

        }

        private static class ATask implements Callable<String>{

        @Override
        public String call() throws Exception {
        // TODO Auto-generated method stub
        return "AAAAAA";
        }

        }

        private static class CTask implements Callable<String>{

        @Override
        public String call() throws Exception {
        // TODO Auto-generated method stub
        Future<String> a = new FutureTask<String>(new ATask());
        return a.get();
        }

        }
        ============线程dump==============
      • 此鱼不得水:写的挺好的,挺博主
        美团Java:@档滴啷当 多谢肯定

      本文标题:深入分析String.intern和String常量的实现原理

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