java常量池圖文詳解

java常數池是一個經久不衰的話題，也是面試官的最愛，題目花樣百出，小菜早就對常量池有所耳聞，這次好好總結一下。

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jvm虛擬記憶體分佈：

程式計數器是jvm執行程式的流水線，存放一些跳躍指令，這個太高深，小菜不懂。

本機方法堆疊是jvm呼叫作業系統方法所使用的堆疊。

虛擬機器堆疊是jvm執行java程式碼所使用的堆疊。

方法區存放了一些常數、靜態變數、類別資訊等，可以理解成class檔案在記憶體中的存放位置。

虛擬機器堆是jvm執行java程式碼所使用的堆。

Java中的常數池，實際上分為兩種形態：靜態常數池和執行時間常數池。

所謂靜態常數池，即*.class檔案中的常數池，class檔案中的常數池不只包含字串(數字)字面量，還包含類別、方法的信息，佔用class檔案絕大部分空間。

 而運行時常數池，則是jvm虛擬機器在完成類別裝載作業後，將class檔案中的常數池載入到記憶體中，並保存在方法區中，我們常說的常數池，就是指方法區中的運行時常量池。

接下來我們引用一些網路上流行的常數池例子，然後藉以講解。

String s1 = "Hello";
String s2 = "Hello";
String s3 = "Hel" + "lo";
String s4 = "Hel" + new String("lo");
String s5 = new String("Hello");
String s6 = s5.intern();
String s7 = "H";
String s8 = "ello";
String s9 = s7 + s8;
          
System.out.println(s1 == s2);  // true
System.out.println(s1 == s3);  // true
System.out.println(s1 == s4);  // false
System.out.println(s1 == s9);  // false
System.out.println(s4 == s5);  // false
System.out.println(s1 == s6);  // true

首先說明一點，在java 中，直接使用==運算符，比較的是兩個字串的參考位址，並不是比較內容，比較內容請用String.equals()。

s1 == s2這個非常好理解，s1、s2在賦值時，均使用的字串字面量，說白話點，就是直接把字串寫死，在編譯期間，這種字面量會直接放入class檔案的常數池中，從而實現重複使用，載入運行時常數池後，s1、s2指向的是同一個記憶體位址，所以相等。

s1 == s3這個地方有個坑，s3雖然是動態拼接出來的字串，但是所有參與拼接的部分都是已知的字面量，在編譯期間，這種拼接會被優化，編譯器直接幫你拼好，所以String s3 = "Hel" "lo";在class檔案中被最佳化成String s3 = "Hello";，所以s1 == s3成立。

s1 == s4當然不相等，s4雖然也是拼接出來的，但new String("lo")這部分不是已知字面量，是一個不可預料的部分，編譯器不會優化，必須等到運行時才可以確定結果，結合字串不變定理，鬼知道s4被分配到哪裡去了，所以地址肯定不同。配上一張簡圖理清思路：

s1 == s9也不相等，道理差不多，雖然s7、s8在賦值的時候使用的字符串字面量，但是拼接成s9的時候， s7、s8作為兩個變量，都是不可預料的，編譯器畢竟是編譯器，不可能當解釋器用，所以不做優化，等到運行時，s7、s8拼接成的新字符串，在堆中地址不確定，不可能與方法區常數池中的s1位址相同。

s4 == s5已經不用解釋了，絕對不相等，二者都在堆中，但位址不同。

s1 == s6這兩個相等完全歸功於intern方法，s5在堆中，內容為Hello ，intern方法會嘗試將Hello字串添加到常數池中，並返回其在常數池中的位址，因為常數池中已經有了Hello字串，所以intern方法直接回傳位址；而s1在編譯期就已經指向常數池了，因此s1和s6指向同一位址，相等。

至此，我們可以得到三個非常重要的結論：

#必須專注於編譯期的行為，才能更好的理解常數池。

運行時常數池中的常數，基本上來自各個class檔案中的常數池。

程式執行時，除非手動在常數池中新增常數(例如呼叫intern方法)，否則jvm不會自動加入常數到常數池。

以上所講只涉及字串常數池，實際上還有整數常數池、浮點型常數池等等，但都大同小異，只不過數值類型的常數池不可以手動添加常數，程式啟動時常數池中的常數就已經確定了，例如整型常數池中的常數範圍：-128~127，只有這個範圍的數字可以用到常數池。

實務

說了這麼多理論，接下來讓我們觸摸真正的常數池。

前文提到過，class檔案中存在一個靜態常數池，這個常數池是由編譯器產生的，用來儲存java原始檔中的字面量(本文僅關注字面量)​​，假設我們有如下java程式碼：

 String s = "hi";

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：

简单讲解一下class文件的结构，开头的4个字节是class文件魔数，用来标识这是一个class文件，说白话点就是文件头，既：CA FE BA BE。

紧接着4个字节是java的版本号，这里的版本号是34，因为笔者是用jdk8编译的，版本号的高低和jdk版本的高低相对应，高版本可以兼容低版本，但低版本无法执行高版本。所以，如果哪天读者想知道别人的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，翻译成十进制是26，也就是有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，他们都有自己的类型，并且都有自己的存储规范，本文只关注字符串常量，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：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、-XX:MaxPermSize来设置方法区大小，从而间接限制常量池大小。

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

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

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。

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