深度剖析Java String的奥秘

╰半橙微兮° 2023-01-07 04:59 64阅读 0赞

**目录**

1.String的基本特性

1.1 String概述

1.2 String的基本特征

1.3 String的String Pool

2.StringTable的内存分配

2.1 StringTable内存分配演进过程

2.2 为什么要调整StringTable的位置

3.字符串拼接操作

3.1  符串拼接操作结论

3.2 字符串拼接的底层细节

3.3 拼接操作与append操作效率对比问题

4.String的内存分配

4.1 intern() 方法说明

4.2 创建字符串时会创建几个对象

4.3 关于intern()方法的一道面试题

5.G1 中的 String 去重操作

5.1 String 去重操作的背景

5.2 String 去重的的具体实现

5.3 命令行选项

--------------------

## 1.String的基本特性 ##

##      1.1 String概述 ##

（1）String：字符串，使用一对""引起来表示

String s1 = "lalala" ;   			// 字面量的定义方式
    String s2 =  new String("lala");    // new 对象的方式

（2）String声明为final的，不可被继承

（3）String实现了Serializable接口，表示字符串是支持序列化；实现了Comparable接口，表示String可以比较大小

![2021011516543668.png][]

（4）string在jdk8及以前内部定义了final char\[\] value用于存储字符串数据，JDK9时改为byte\[\]。

> **     为什么改为 byte\[\] 存储？**

JDK9前String类的当前实现将字符存储在char数组中，每个字符使用两个字节(16位)。但从许多不同的应用程序收集的数据表明，字符串是堆使用的主要组成部分，而且大多数字符串对象只包含拉丁字符，这些字符只需要一个字节的存储空间，因此这些字符串对象的内部char数组中有一半的空间将不会使用。JDK9后String再也不用char\[\] 来存储了，改成了byte \[\] 加上编码标记（指定String类中byte\[\] 数组的编码方式），节约了一些空间，同时基于String的数据结构，例如StringBuffer和StringBuilder也同样做了修改。

###      1.2 String的基本特征 ###

先来看一个Demo，String虽然是引用类型但会表现出基本数据类型的特性（具体原因下面会讲到）：

public class StringTest {
        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) {
            StringTest ex = new StringTest();
            ex.change(ex.str, ex.ch);
            System.out.println(ex.str);
            System.out.println(ex.ch);
        }
    }

**       **![20210115171605774.png][]

**       **String：代表不可变的字符序列，简称：**不可变性**

（1）当对字符串重新赋值时，需要重写指定内存区域赋值（使用new关键字），不能使用原有的value进行赋值。

（2）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（使用new关键字），不能使用原有的value进行赋值。

（3）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（使用new关键字），不能使用原有的value进行赋值。

**注：通过字面量的方式给一个字符串赋值，此时的字符串值声明在字符串常量池中。**

> **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**

Demo：

public class StringTest {
        public static void main(String[] args) {
            //字面量定义的方式，"abc"存储在字符串常量池中
            String s1 = "abc";
            String s2 = "abc";
            s1 = "hello";
            System.out.println(s1 == s2);
            System.out.println(s1);
            System.out.println(s2);
        }
    }

![20210115170504595.png][]

字节码指令：取字符串 “abc” 时，使用的是同一个符号引用：\#2；取字符串 “hello” 时，使用的是另一个符号引用：\#3。证明**用字面量****重新赋值的字符串会改变其地址指向。**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NzU2Njgy_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

> **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**

Demo：

public class StringTest {
        public static void main(String[] args) {
            String s1 = "abc";
            String s2 = "abc";
            s2 += "def";
            System.out.println(s2);
            System.out.println(s1);
        }
    }

![20210115170930527.png][]

字节码指令：拼接操作通过StringBuilder的append() 方法完成创建

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NzU2Njgy_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

> **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**

public class StringTest {
        public static void main(String[] args) {
            String s1 = "abc";
            String s2 = s1.replace('a', 'm');
            System.out.println(s1);
            System.out.println(s2);
        }
    }

![20210115171011796.png][]

**replace() 方法的源码**：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NzU2Njgy_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

###      1.3 String的String Pool ###

**       字符串常量池是不会存储相同内容的字符串的**

（1）String的String Pool是一个固定大小的Hashtable，默认值大小长度是1009。如果放进String Pool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()方法时性能会大幅下降。

（2）使用-XX:StringTablesize可设置StringTable的长度

（3）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

（4）在JDK7中，StringTable的长度默认值是60013，StringTablesize设置没有要求

（5）在JDK8中，StringTable的长度默认值是60013，StringTable可以设置的最小值为1009

## 2.StringTable的内存分配 ##

###      2.1 StringTable内存分配演进过程 ###

> **数据类型中的常量池**

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，并且都提供了一种常量池的概念。常量池类似一个Java系统级别的缓存，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。

（1）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。

（2）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。

> **StringTable内存分配的演进过程**

Java 6及以前字符串常量池存放在永久代：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NzU2Njgy_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

Java7中Oracle的工程师对字符串常量池的逻辑做了很大的改变，即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中，这样在进行内存调优时仅调整堆的大小就可以了。字符串常量池概念原本使用得比较多，但是这个改动使得我们有足够的理由让我们重新考虑在Java7中使用String.intern()（下面会讲到，一个理解String常量池非常重要的方法）。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NzU2Njgy_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]

Java8方法区改为元空间，字符串常量池还是在堆中

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NzU2Njgy_size_16_color_FFFFFF_t_70 5][]

###      2.2 为什么要调整StringTable的位置 ###

（1）永久代区域默认空间比较小

（2）永久代垃圾回收频率低

（3）堆中空间足够大，字符串可被及时回收

注：在JDK 7中，字符串不再在Java堆的永久代中分配，而是在Java堆的主要部分（年老代和年轻代）中分配，与应用程序创建的其他对象一起分配。此更改将导致驻留在主Java堆中的数据更多，驻留在永久生成中的数据更少，因此可能需要调整堆大小。

## 3.字符串拼接操作 ##

###      3.1  符串拼接操作结论 ###

（1）常量池中不会存在相同内容的变量

（2）常量与常量的拼接结果在常量池，原理为编译期优化

（3）拼接前后，只要其中有一个是变量，结果就存放在堆中，变量拼接的原理是StringBuilder

（4）如果拼接的结果调用intern()方法，则主动将常量池中不存在的字符串对象放入池中，并返回此对象地址。如果串池存在该字符串，则返回字符串在常量池中的地址；如果字符串常量池中不存在该字符串，这里要分情况讨论：

**JDK1.6：**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：**会把此**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

> 常量与常量的拼接结果在常量池，原理为编译期优化

**Demo：**

public class Practice001 {
        public static void main(String[] args) {
            //编译期优化：等同于"abc"
            String s1 = "a" + "b" + "c";
            //"abc"存放在字符串常量池中，将此地址赋给s2
            String s2 = "abc";
            System.out.println(s1 == s2);
            System.out.println(s1.equals(s2));
        }
    }

**class文件：**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NzU2Njgy_size_16_color_FFFFFF_t_70 6][]

从class文件可以看出：编译器做了优化，将 “a” + “b” + “c” 优化成了 “abc”

**输出结果：**

![20210116103622446.png][]

从输出结果可以看出：常量池中确实不会存在相同内容的变量

> 拼接前后，只要其中有一个是变量，结果就存放在堆中，变量拼接的原理是StringBuilder

**Demo：**

public class Practice001 {
        public static void main(String[] args) {
            String s1 = "javaEE";
            String s2 = "hadoop";
            String s3 = "javaEEhadoop";
            //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 == s5);
            System.out.println(s3 == s6);
            System.out.println(s3 == s7);
            System.out.println(s5 == s6);
            System.out.println(s5 == s7);
            System.out.println(s6 == s7);
        }
    }

**输出结果：**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NzU2Njgy_size_16_color_FFFFFF_t_70 7][]

> 如果拼接的结果调用intern()方法，则主动将常量池中不存在的字符串对象放入池中，并返回此对象地址

**Demo：**

public class Practice001 {
        public static void main(String[] args) {
            String s1 = "hadoop";
            String s2 = "javaEEhadoop";
            //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 s3 = "javaEE" + s1;
            //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，并返回此对象的地址。
            String s4 = s3.intern();
            System.out.println(s2 == s4);
        }
    }

**输出结果：**

![20210116105043492.png][]

###      3.2 字符串拼接的底层细节 ###

**Demo：**

public class Practice001 {
        public static void main(String[] args) {
            String s1 = "a";
            String s2 = "b";
            String s3 = "ab";
            String s4 = s1 + s2;
            System.out.println(s3 == s4);
        }
    }

**输出结果：**

![20210116110135394.png][]

s1、s2、s3变量存在常量池中毋庸置疑，重点是s4变量的值是由s1和s2拼接而成，输出结果为什么是false呢？我们来看下字节码：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NzU2Njgy_size_16_color_FFFFFF_t_70 8][]

可以看到在进行含有变量的字符串拼接时，先是new了一个StringBuilder，后调用StringBuilder的append方法进行字符串拼接，最后调用StringBuilder的toString方法返回一个String对象，StringBuilder的toString源码：

![20210116111245584.png][]

可以看到StringBuilder的toString方法为重新new了一个新的String对象。回到上面的问题，我们知道了s4为新new出的String对象，存储的为新String对象在堆内存中的地址引用，而s3变量存储的为字符串"ab"在常量池中的地址，所以两者用"=="比较结果为flase。

###      3.3 **拼接操作与append操作效率对比问题** ###

具体测试代码不列举了，直接说结论：

（1）执行效率：通过StringBuilder的append()的方式添加字符串的效率要远高于使用String的字符串拼接方式

（2）原因：StringBuilder的append()的方式自始至终中只创建过一个StringBuilder的对象，而使用String的字符串拼接方式会创建过多个StringBuilder和String的对象，内存占用大且如果进行GC，需要花费额外的时间。

## **4.String的内存分配** ##

###      4.1 intern() 方法说明 ###

intern是一个native方法，调用的是底层C的方法。在调用intern方法时，如果池中已经包含了由equals(object)方法确定的与该字符串对象相等的字符串，则返回池中的字符串。否则该字符串对象将被添加到池中，并返回对该字符串对象的引用。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。通俗点讲，Interne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：这个值会被存放在字符串内部池（String Intern Pool）。

![20210116113214518.png][]

###      4.2 创建字符串时**会创建几个对象** ###

> **new String("ab")会创建几个对象？**

**Demo：**

public class Practice001 {
        public static void main(String[] args) {
            String str = new String("ab");
        }
    }

**相应字节码反编译文件：**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NzU2Njgy_size_16_color_FFFFFF_t_70 9][]

字节码指令：ldc代表在字符串常量池中创建对象"ab"。所以这道题的答案是，一个或者两个对象。如果字符串常量池中存在"ab"，则只创建了一个String对象；如果字符串常量池中不存在"ab"，则创建了两个对象，为一个String对象和一个字符串常量池中的"ab"对象。

> **new String("a") + new String("b") 会创建几个对象？**

**Demo：**

/**
     * 问题：new String(“a”) + new String(“b”) 会创建几个对象？
     *  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"
     *  深入剖析： StringBuilder的toString():
     *      对象6 ：new String("ab")
     *      注：toString()的调用，在字符串常量池中，不会生成"ab"
     */
    public class Practice001 {
        public static void main(String[] args) {
            String str = new String("a") + new String("b");
        }
    }

**反编译后的字节码：**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NzU2Njgy_size_16_color_FFFFFF_t_70 10][]

答案：一共六个对象：

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：StringBuilder的toString()方法返回时新new的String对象

###      4.3 关于intern()方法的一道面试题 ###

**Demo：**

/**
     * 如何保证变量s指向的是字符串常量池中的数据呢？有两种方式：
     * 方式一： String s = "shkstart";//字面量定义的方式
     * 方式二： 调用intern()
     *         String s = new String("shkstart").intern();
     *         String s = new StringBuilder("shkstart").toString().intern();
     */
    public class StringIntern {
        public static void main(String[] args) {
            String s = new String("1");
            s.intern();
            String s2 = "1";
            System.out.println(s == s2);
    
            String s3 = new String("1") + new String("1");//s3变量记录的地址为：new String("11")
            s3.intern();
            String s4 = "11";
            System.out.println(s3 == s4);
        }
    }

** JDK1.6下的结果：**

![20210116115420352.png][]

** JDK1.7及以后的结果：**

![20210116115247424.png][]

这个问题的答案其实是因为intern()方法在不同的JDK中处理池中重复数据的逻辑有变化，结论：

1.  JDK1.6中，将这个字符串对象尝试放入串池时。
    
    1.  如果串池中有，则并不会放入。返回已有的串池中的对象的地址
    2.  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
2.  JDK1.7起，将这个字符串对象尝试放入串池时。
    
     *  如果串池中有，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

**内存分析：**

JDK6 ：正常判断即可，new String() 即在堆中，str.intern() 则把字符串放入常量池中

![image-20200730214321992][]

JDK7/8 ：new String() 即在堆中，str.intern() 则把字符串放入常量池中，出于节省空间的目的，如果 str 不存在于字符串常量池中，则将 str 在堆中的引用存储在字符串常量池中，字符串常量池中存的是 str 在堆中的引用，所以 s3 == s4 为 true

![image-20200730214346907][]

## 5.G1 中的 String 去重操作 ##

### **     5.1 String 去重操作的背景** ###

许多大规模的Java应用的瓶颈在于内存，测试表明在这些类型的应用里面，Java堆中存活的数据集合差不多25%是String对象。更进一步，这里面差不多一半String对象是重复的，重复的意思是说：str1.equals(str2)= true。堆上存在重复的String对象必然是一种内存的浪费。这个项目将在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。

### **     5.2 String 去重的的具体实现** ###

（1）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。

（2）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。

（3）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。

（4）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。

（5）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。

### **     5.3 命令行选项** ###

（1）UseStringDeduplication(bool) ：开启String去重，默认是不开启的，需要手动开启。

（2）PrintStringDeduplicationStatistics(bool) ：打印详细的去重统计信息

（3）stringDeduplicationAgeThreshold(uintx) ：达到这个年龄的String对象被认为是去重的候选对象

[2021011516543668.png]: /images/20221119/beaa6c5908b54fe293c997b391453af6.png
[20210115171605774.png]: /images/20221119/37514bfe0ec64c25b32957a625f206aa.png
[20210115170504595.png]: /images/20221119/433347ef4bf2424381b8a4b42cc4b81e.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NzU2Njgy_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221119/89722bcc475044a092bc263d2b1ec3f1.png
[20210115170930527.png]: /images/20221119/e166096ed4f442e4933255fd1027ca51.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NzU2Njgy_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20221119/a6308fd0f99f4301bb0b91ef2b89f55e.png
[20210115171011796.png]: /images/20221119/f5e94b252fb6499babe6f0a714f48603.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NzU2Njgy_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20221119/65f227c6c9824900b6cf10e9ea6da036.png
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