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JVM(六)内存与圾回收|本地方法接口+字符串常量池

JVM(六)内存与圾回收|本地方法接口+字符串常量池

作者: TiaNa_na | 来源:发表于2020-08-05 18:10 被阅读0次

      本文介绍JVM的本地方法接口字符串常量池
      字符串常量池在前文内存与垃圾回收|运行时数据区(下)中也有提到,但因其在开发中的使用非常频繁,所以单独来讲。

    目录
     1 本地方法接口
      1.1 本地方法(Native Method)
      1.2 为什么要使用Native Method
      1.3 现状
     2 字符串常量池(StringTable)
      2.1 2.1 基本特性
        2.1.1 String的不可变性
        2.1.2 字符串常量池
      2.2 String的内存分配
      2.3 字符串拼接操作
      2.4 intern()的使用
        2.4.1 intern()效率测试
      2.5 StrtingTable的垃圾回收
      2.6 G1中的String去重操作


    1 本地方法接口


    1.1 本地方法(Native Method)

      简单来讲,一个Native Method就是一个java调用非java代码的接口,一个Native Method 是这样一个java方法:该方法的实现由非Java语言实现,比如C。这个特征并非java特有,很多其他的编程语言都有这一机制,比如在C++ 中,你可以用extern “C” 告知C++ 编译器去调用一个C的函数。
      在定义一个native method时,并不提供实现体(有些像定义一个Java interface),因为其实现体是由非java语言在外面实现的。
      本地接口的作用是融合不同的编程语言为java所用,它的初衷是融合C/C++程序。

    /**
     * 本地方法 example 01
     */
    public  class IHaveNatives {
    
        //abstract 没有方法体
        public abstract void abstractMethod(int x);
    
        //native是有方法体的,但由其他语言来实现
        //native 和 abstract不能共存
        public native void Native1(int x);
    
        native static public long Native2();
    
        native synchronized private float Native3(Object o);
    
        native void Native4(int[] array) throws Exception;
    }
    

    1.2 为什么要使用Native Method

    java使用起来非常方便,然而有些层次的任务用java实现起来不容易,或者我们对程序的效率很在意时,问题就来了。

    • 与java环境外交互:
        有时java应用需要与java外面的环境交互,这是本地方法存在的主要原因。你可以想想java需要与一些底层系统,如擦偶偶系统或某些硬件交换信息时的情况。本地方法正式这样的一种交流机制:它为我们提供了一个非常简洁的接口,而且我们无需去了解java应用之外的繁琐细节。
    • 与操作系统交互
        JVM支持着java语言本身和运行库,它是java程序赖以生存的平台,它由一个解释器(解释字节码)和一些连接到本地代码的库组成。然而不管怎样,它毕竟不是一个完整的系统,它经常依赖于一些底层系统的支持。这些底层系统常常是强大的操作系统。通过使用本地方法,我们得以用java实现了jre的与底层系统的交互,甚至jvm的一些部分就是用C写的。还有,如果我们要使用一些java语言本身没有提供封装的操作系统特性时,我们也需要使用本地方法。
    • Sun’s Java
        Sun的解释器是用C实现的,这使得它能像一些普通的C一样与外部交互。jre大部分是用java实现的,它也通过一些本地方法与外界交互。例如:类java.lang.Thread的setPriority()方法是用Java实现的,但是它实现调用的事该类里的本地方法setPriority0()。这个本地方法是用C实现的,并被植入JVM内部,在Windows 95的平台上,这个本地方法最终将调用Win32 SetProority()API。这是一个本地方法的具体实现由JVM直接提供,更多的情况是本地方法由外部的动态链接库(external dynamic link library)提供,然后被JVM调用。

    1.3 现状

      目前该方法的是用越来越少了,除非是与硬件有关的应用,比如通过java程序驱动打印机或者java系统管理生产设备,在企业级应用已经比较少见。因为现在的异构领域间的通信很发达,比如可以使用Socket通信,也可以是用Web Service等等,不多做介绍。

    2 字符串常量池(StringTable)


    String基本概念

    2.1 基本特性

    2.1.1 String的不可变性

      String:代表不可变的字符序列。简称:不可变性

    • 当对字符串重新赋值时,需要重写指定内存区域赋值,不能使用原有的value进行赋值。
    • 当对现有的字符串进行连接操作时,也需要重新指定内存区域赋值,不能使用原有的value进行赋值。
    • 当调用String的replace()方法修改指定字符或字符串时,也需要重新指定内存区域赋值,不能使用原有的value进行赋值。
    /**
     * String的基本使用:体现String的不可变性 example02
     */
    public class StringTest1 {
        @Test
        public void test1() {
            String s1 = "abc";//字面量定义的方式,"abc"存储在字符串常量池中
            String s2 = "abc";
            s1 = "hello";
    
            System.out.println(s1 == s2);//判断s1和s2地址: false
    
            System.out.println(s1);//
            System.out.println(s2);//abc
    
        }
    
        @Test
        public void test2() {
            String s1 = "abc";
            String s2 = "abc";
            s2 += "def";
            System.out.println(s2);//abcdef
            System.out.println(s1);//abc
        }
    
        @Test
        public void test3() {
            String s1 = "abc";
            String s2 = s1.replace('a', 'm');
            System.out.println(s1);//abc
            System.out.println(s2);//mbc
        }
    }
    
    /**
     * example03  string的不可变性
     */
    public class StringExer {
        String str = new String("good");
        char[] ch = {'t', 'e', 's', 't'};
    
        public void change(String str, char ch[]) {
            str = "test ok";
            ch[0] = 'b';
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            StringExer ex = new StringExer();
            ex.change(ex.str, ex.ch);
            System.out.println(ex.str);//good
            System.out.println(ex.ch);//best
        }
    }
    

      通过字面量的方式(区别于new)给一个字符串赋值,此时的字符串值声明在字符串常量池

    2.1.2 字符串常量池

      字符串常量池中是不会存储相同内容的字符串的。

    • String的String Pool(又StringTable) 是一个固定大小的Hashtable,默认值大小长度是1009。如果放进StringPool的String非常多, 就会造成Hash冲突严重,从而导致链表会很长,而链表长了后直接会造成的影响就是当调用String. intern时性能会大幅下降。
    • 使用-XX:StringTableSize可设置StringTable的长度
    • 在jdk6中StringTable是固定的,就是1009的长度,所以如果常量池中的字符串过多就会导致效率下降很快。StringTableSize设 置没有要求
    • 在jdk7中,StringTable的长度默认值是60013
    • jdk8开始,1009是StringTable长度可设置的最小值

    2.2 String的内存分配

    • 在Java语言中有8种基本数据类型和一种比较特殊的类型String。这些类型为了使它们在运行过程中速度更快、更节省内存,都提供了一种常量池的概念。

    • 常量池就类似一.个Java系统级别提供的缓存。8种基本数据类型的常量
      池都是系统协调的,String类 型的常量池比较特殊。它的主要使用方法有两种。

      • 直接使用双引号声明出来的String对象会直接存储在常量池中。如: String info = "abc" ;
      • 如果不是用双引号声明的String对象,可以使用String提供的intern()方法。这个后面重点谈。
    /**
     * example04 字面量方式声明的String会存储在常量池中
     */
    class Memory {
        public static void main(String[] args) {//line 1
            int i = 1;//line 2
            Object obj = new Object();//line 3
            Memory mem = new Memory();//line 4
            mem.foo(obj);//line 5
        }//line 9
    
        private void foo(Object param) {//line 6
            String str = param.toString();//line 7
            System.out.println(str);
        }//line 8
    }
    
    • Java 6及以前,字符串常量池存放在永久代。
    • Java 7及以后将字符串常量池的位置调整到Java堆内。
      • 所有的字符串都保存在堆(Heap)中,和其他普通对象一样,这样可以让你在进行调优应用时仅需要调整堆大小就可以了。

    StringTable为什么要调整
    ①永久代permSize默认比较小;
    ②永久代的垃圾回收频率低;

    2.3 字符串拼接操作

    • 常量与常量的拼接结果在常量池,原理是编译期优化
    • 常量池中不会存在相同内容的常量。
    • 只要其中有一个是变量,相当于new String对象,结果在堆中但不在常量池中。变量拼接的原理是StringBuilder
    • 如果拼接的结果调用intern()方法,则主动将常量池中还没有的字符串对象放入池中,并返回此对象地址
    /**
     * example 05 字符串拼接操作 
     */
     @Test
        public void test1(){
            String s1 = "a" + "b" + "c";//编译期优化:等同于"abc"
            String s2 = "abc"; //"abc"一定是放在字符串常量池中,将此地址赋给s2
            /*
             *.java编译成.class的结果
             * String s1 = "abc";
             * String s2 = "abc"
             */
            System.out.println(s1 == s2); //true(比较地址)
            System.out.println(s1.equals(s2)); //true
        }
    
        @Test
        public void test2(){
            String s1 = "javaEE";
            String s2 = "hadoop";
    
            String s3 = "javaEEhadoop";
            String s4 = "javaEE" + "hadoop";//编译期优化
            //如果拼接符号的前后出现了变量,则相当于在堆空间中new String(),具体的内容为拼接的结果:javaEEhadoop
            String s5 = s1 + "hadoop";
            String s6 = "javaEE" + s2;
            String s7 = s1 + s2;
    
            System.out.println(s3 == s4);//true
            System.out.println(s3 == s5);//false
            System.out.println(s3 == s6);//false
            System.out.println(s3 == s7);//false
            System.out.println(s5 == s6);//false
            System.out.println(s5 == s7);//false
            System.out.println(s6 == s7);//false
            //intern():判断字符串常量池中是否存在javaEEhadoop值,如果存在,则返回常量池中javaEEhadoop的地址;
            //如果字符串常量池中不存在javaEEhadoop,则在常量池中加载一份javaEEhadoop,并返回次对象的地址。
            String s8 = s6.intern();
            System.out.println(s3 == s8);//true
        }
    
        @Test
        public void test3(){
            String s1 = "a";
            String s2 = "b";
            String s3 = "ab";
            /*
            如下的s1 + s2 的执行细节:
            ① StringBuilder s = new StringBuilder();
            ② s.append("a")
            ③ s.append("b")
            ④ s.toString()  --> 约等于 new String("ab")
    
            补充:在jdk5.0之后使用的是StringBuilder,
            在jdk5.0之前使用的是StringBuffer
             */
            String s4 = s1 + s2;//
            System.out.println(s3 == s4);//false
        }
    
        /*
        1. 字符串拼接操作不一定使用的是StringBuilder!
           如果拼接符号左右两边都是字符串常量或常量引用,则仍然使用编译期优化,即非StringBuilder的方式。
        2. 针对于final修饰类、方法、基本数据类型、引用数据类型的量的结构时,能使用上final的时候建议使用上。
         */
        @Test
        public void test4(){
            final String s1 = "a";
            final String s2 = "b";
            String s3 = "ab";
            String s4 = s1 + s2;
            System.out.println(s3 == s4);//true
        }
        
        //练习:
        @Test
        public void test5(){
            String s1 = "javaEEhadoop";
            String s2 = "javaEE";
            String s3 = s2 + "hadoop";
            System.out.println(s1 == s3);//false
    
            final String s4 = "javaEE";//s4:常量
            String s5 = s4 + "hadoop";
            System.out.println(s1 == s5);//true
        }
    

    2.4 intern()的使用

    • 如果不是用双引号声明的String对象,可以使用String提供的intern方法: intern方法会从字符串常量池中查询当前字符串是否存在,若不存在就会将当前字符串放入常量池中。如:
    String myInfo = new String("u").intern();
    
    • 也就是说,如果在任意字符串上调用String. intern方法,那么其返回结果所指向的那个类实例,必须和直接以常量形式出现的字符串实例完全相同。因此,下列表达式的值必定是true:
    ("a" + "b" + "c").intern()== "abc";
    

    通俗点讲,Interned String就是确保字符串在内存里只有一份拷贝,这样可以节约内存空间,加快字符串操作任务的执行速度。注意,这个值会被存放在字符串内部池(String Intern Pool)。

    下面有几个经典题目:
    ①new String("ab")会创建几个对象?

    一个对象是:new关键字在堆空间创建的;另一个对象是:字符串常量池中的对象"ab"

    字节码的角度查看创建的对象数

    ②new String("a")+new String("b")呢?
    * 对象1:new StringBuilder()
    * 对象2: new String("a")
    * 对象3: 常量池中的"a"
    * 对象4: new String("b")
    * 对象5: 常量池中的"b"
    * 对象6 :new String("ab")

    字节码的角度查看创建的对象数

    在字符串常量池中,没有生成"ab",是因为toString()的调用,在字符串常量池中,没有生成"ab"
    ③关于String.intern()的面试题

    //examp 06
    public class StringIntern {
        public static void main(String[] args) {
            String s = new String("1");
            String s1 = s.intern();//调用此方法之前,字符串常量池中已经存在了"1"
            String s2 = "1";
            //s  指向堆空间"1"的内存地址
            //s1 指向字符串常量池中"1"的内存地址
            //s2 指向字符串常量池已存在的"1"的内存地址  所以 s1==s2
            System.out.println(s == s2);//jdk6:false   jdk7/8:false
            System.out.println(s1 == s2);//jdk6: true   jdk7/8:true
           
    
            //s3变量记录的地址为:new String("11")
            String s3 = new String("1") + new String("1");
            //执行完上一行代码以后,字符串常量池中,不存在"11"!!(上一题中已知)
    
            //在字符串常量池中生成"11"。
            //如何理解:jdk6:创建了一个新的对象"11",也就有新的地址。
            //         jdk7:此时常量中并没有创建"11",而是创建一个指向堆空间中new String("11")的地址
            s3.intern();
    
            //s4变量记录的地址:使用的是上一行代码代码执行时,在常量池中生成的"11"的地址
            String s4 = "11";
            System.out.println(s3 == s4);//jdk6:false  jdk7/8:true
        }
    }
    

    ④上题拓展

    //examp 07
    public class StringIntern1 {
        public static void main(String[] args) {
            //StringIntern.java中练习的拓展:
            String s3 = new String("1") + new String("1");//new String("11")
            //执行完上一行代码以后,字符串常量池中,是否存在"11"呢?答案:不存在!!
            String s4 = "11";//在字符串常量池中生成对象"11"
            String s5 = s3.intern();
            System.out.println(s3 == s4);//false
            System.out.println(s5 == s4);//true
        }
    }
    

    总结String的intern()的使用

    • jdk1.6中,将这个字符串对象尝试放入串池。
      ➢ 如果字符串常量池中有,则并不会放入。返回已有的串池中的对象的地址
      ➢ 如果没有,会把此对象复制一份,放入串池,并返回串池中的对象地址
    • Jdk1.7起,将这个字符串对象尝试放入串池。
      ➢ 如果字符串常量池中有,则并不会放入。返回已有的串池中的对象的地址
      ➢ 如果没有,则会把对象的引用地址复制一份,放入串池,并返回串池中的引用地址

    2.4.1 intern()效率测试

      大的网站平台,需要内存中存储大量的字符串。比如社交网站,很多人都存储:北京市、海淀区等信息。这时候如果字符串都调用 intern()方法,就会明显降低内存的大小。

    /**
     * 使用intern()测试执行效率:空间使用上
     * examp 08
     * 结论:对于程序中大量存在存在的字符串,尤其其中存在很多重复字符串时,使用intern()可以节省内存空间。
     *
     */
    public class StringIntern2 {
        static final int MAX_COUNT = 1000 * 10000;
        static final String[] arr = new String[MAX_COUNT];
    
        public static void main(String[] args) {
            Integer[] data = new Integer[]{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
    
            long start = System.currentTimeMillis();
            for (int i = 0; i < MAX_COUNT; i++) {
    //            arr[i] = new String(String.valueOf(data[i % data.length]));
                arr[i] = new String(String.valueOf(data[i % data.length])).intern();
    
            }
            long end = System.currentTimeMillis();
            System.out.println("花费的时间为:" + (end - start));
    
            try {
                Thread.sleep(1000000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.gc();
        }
    }
    

    2.5 StrtingTable的垃圾回收

    /**
     * String的垃圾回收: example 09
     * -Xms15m -Xmx15m -XX:+PrintStringTableStatistics -XX:+PrintGCDetails
     *
     */
    public class StringGCTest {
        public static void main(String[] args) {
    //        for (int j = 0; j < 100; j++) {
    //            String.valueOf(j).intern();
    //        }
            //发生垃圾回收行为
            for (int j = 0; j < 100000; j++) {
                String.valueOf(j).intern();
            }
        }
    }
    

    2.6 G1中的String去重操作

    • 背景: 对许多Java应用(有大的也有小的)做的测试得出以下结果:

      • 堆存活数据集合里面String对象占了25%
      • 堆存活数据集合里面重复(string1.equals(string2)=true)的String对象有13.5%
      • String对象的平均长度是45
    • 实现:在G1垃圾收集器中实现自动持续对重复的String对象进行去重,这样就能避免浪费内存。

      • 当垃圾收集器工作的时候,会访问堆上存活的对象。对每一个访问的对象都会检查是否是候选的要去重的String对象。
      • 如果是,把这个对象的一个引用插入到队列中等待后续的处理。一个去重的线程在后台运行,处理这个队列。处理队列的一个元素意味着从队列删除这个元素,然后尝试去重它引用的String对象。
      • 使用一个hashtable来记录所有的被String对象使用的不重复的char数组。
        当去重的时候,会查这个hashtable,来看堆上是否已经存在一个一模一样的char数组。
      • 如果存在,String对象会被调整引用那个数组,释放对原来的数组的引用,最终会被垃圾收集器回收掉。
      • 如果查找失败,char数组会被插入到hashtable,这样以后的时候就可以共享这个数组了。
    • 命令行选项

      • UseStringDeduplication(bool) :开启String去重,默认是不开启的,需要手动开启。
      • PrintStringDedupl icationStatistics(bool) :打印详细的去重统计信息,
      • StringDedupl icationAgeThreshold (uintx) :达到这个年龄的string对象被认.为是去重的候选对象

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