Java中的String Pool：G1/ZGC等收集器对字符串常量池的回收机制 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

Java String Pool 与 G1/ZGC 的回收机制

大家好，今天我们来深入探讨Java中一个非常重要的概念——String Pool（字符串常量池），以及现代垃圾收集器如G1和ZGC如何与String Pool进行交互，并处理其中可能存在的垃圾字符串。

什么是String Pool？

String Pool，也称为字符串常量池，是Java虚拟机（JVM）为了优化字符串操作而设计的一个特殊内存区域。它存储着字符串字面量以及通过String.intern()方法添加到池中的字符串实例的引用。其核心作用在于提高性能和节省内存，尤其是在大量字符串操作的场景下。

工作原理：

字符串字面量： 当我们在代码中使用字符串字面量（例如 "hello"）时，JVM会首先检查String Pool中是否已经存在相同内容的字符串。
- 如果存在，则直接返回池中字符串的引用，而不是创建新的字符串对象。
- 如果不存在，则在池中创建一个新的字符串对象，并返回该对象的引用。
String.intern()方法： String.intern()方法的作用是将一个字符串对象尝试放入String Pool。
- 如果池中已经存在相同内容的字符串，则返回池中的字符串引用。
- 如果池中不存在，则在池中创建一个新的字符串对象（或将当前字符串对象的引用放入池中，取决于JDK版本），并返回池中的引用。

为什么要使用String Pool？

提高性能： 避免重复创建相同的字符串对象，减少了内存分配和垃圾回收的开销。
节省内存： 相同的字符串字面量共享同一个内存地址，减少了内存占用。
字符串比较优化： 使用 == 运算符可以直接比较字符串的引用，提高比较效率（仅限于指向String Pool中的字符串）。

String Pool的位置：

在不同的JDK版本中，String Pool的位置有所变化：

JDK版本	String Pool位置
JDK 6 及之前	PermGen（永久代）
JDK 7	Heap（堆内存）
JDK 8 及之后	Heap（堆内存）

这个变化非常重要，因为PermGen（或 Metaspace，用于替代PermGen）的大小是固定的，容易导致OutOfMemoryError。将String Pool移到Heap中，可以动态调整其大小，更适应应用程序的需求。

代码示例：

public class StringPoolExample {
    public static void main(String[] args) {
        String str1 = "hello";
        String str2 = "hello";
        String str3 = new String("hello");
        String str4 = str3.intern();

        System.out.println(str1 == str2); // true，str1和str2指向String Pool中的同一个对象
        System.out.println(str1 == str3); // false，str3是堆中的新对象
        System.out.println(str1 == str4); // true，str4指向String Pool中的对象
        System.out.println(str3 == str4); // false，str3是堆中的新对象

        String str5 = new String("world");
        String str6 = str5.intern();
        System.out.println(str5 == str6); // JDK 6：false，JDK 7/8及以后：false (str5的引用没有进入String pool,intern返回的是pool里的对象)

        String s1 = new StringBuilder().append("ja").append("va").toString();
        System.out.println(s1.intern() == s1); //JDK 6: false, JDK 7/8及以后：true

        String s2 = new StringBuilder().append("jvm").append("test").toString();
        System.out.println(s2.intern() == s2); //JDK 6: false, JDK 7/8及以后：false
    }
}

代码解释:

str1 和 str2 都使用字符串字面量 "hello"，因此它们指向String Pool中的同一个对象。
str3 使用 new String("hello") 创建了一个新的字符串对象，该对象位于堆内存中，与String Pool中的对象不同。
str4 使用 str3.intern() 方法，将 str3 的内容放入String Pool中（如果池中不存在）。由于池中已经存在 "hello"，因此 str4 指向String Pool中的对象，与 str1 相同。
str5 使用 new String("world") 创建了一个新的字符串对象。
str6 使用 str5.intern() 方法，尝试将 str5 放入String Pool。由于池中可能已经存在 "world" ，所以str6 指向String Pool中的对象。需要注意的是，此时 str5 和 str6 指向不同的对象。

特别注意： s1.intern() == s1 在不同JDK版本的结果不同。在JDK 6中，intern() 方法会将字符串复制到PermGen中的String Pool，并返回池中的引用，因此 s1 和 s1.intern() 指向不同的对象。而在JDK 7/8及以后，intern() 方法会将 s1 的引用放入String Pool，并返回该引用，因此 s1 和 s1.intern() 指向同一个对象。但是，如果String Pool中已经存在相同内容的字符串，则 s1 和 s1.intern() 仍然指向不同的对象。

String Pool的垃圾回收

虽然String Pool可以提高性能和节省内存，但也可能导致内存泄漏。如果大量字符串被 intern() 到String Pool中，但不再被使用，这些字符串就会一直占用内存，直到JVM关闭。因此，了解垃圾收集器如何处理String Pool中的字符串非常重要。

早期垃圾收集器（Serial/Parallel）：

在早期的垃圾收集器中，String Pool位于PermGen（永久代），由Full GC进行回收。Full GC会扫描整个堆内存和永久代，找出不再使用的字符串对象，并将其从String Pool中移除。但是，Full GC的开销很大，会暂停整个应用程序的运行，影响性能。

G1垃圾收集器：

G1（Garbage-First）垃圾收集器是一种面向服务端应用的垃圾收集器，旨在替代CMS收集器。G1将堆内存划分为多个大小相等的Region，并根据Region的垃圾回收效率进行优先级排序，优先回收垃圾最多的Region。

G1对String Pool的回收：

周期性回收： G1会周期性地扫描String Pool，找出不再使用的字符串对象。
Remembered Set： G1使用Remembered Set来跟踪Region之间的引用关系。当一个Region中的对象引用了String Pool中的字符串对象时，G1会将该引用关系记录在Remembered Set中。这样，在回收String Pool时，G1可以快速找到所有引用了String Pool中字符串对象的Region，并进行更新。
去重操作 (String Deduplication)： G1引入了字符串去重功能，可以进一步减少String Pool的内存占用。当G1发现多个字符串对象的内容相同时，它会将这些字符串对象指向同一个字符数组，从而节省内存。

启用G1 String Deduplication：

要启用G1的字符串去重功能，需要在JVM启动时添加以下参数：

-XX:+UseStringDeduplication

ZGC垃圾收集器：

ZGC（Z Garbage Collector）是一种低延迟的垃圾收集器，旨在处理TB级别的堆内存。ZGC使用着色指针和读屏障技术，可以在几乎不暂停应用程序的情况下进行垃圾回收。

ZGC对String Pool的回收：

并发回收： ZGC采用并发回收的方式，可以在应用程序运行的同时进行垃圾回收，最大限度地减少停顿时间。
着色指针： ZGC使用着色指针来标记对象的颜色，从而区分不同的对象状态。
读屏障： ZGC使用读屏障来拦截对象的读取操作，并判断对象是否已经被移动。如果对象已经被移动，则更新引用关系。
String Pool作为根对象： ZGC将String Pool视为根对象，直接扫描String Pool中的字符串对象，并找出不再使用的字符串对象。

G1和ZGC对String Pool的影响：

G1和ZGC都能够有效地回收String Pool中的垃圾字符串，从而减少内存占用，提高应用程序的性能。与早期的垃圾收集器相比，G1和ZGC的停顿时间更短，对应用程序的影响更小。

特性	G1	ZGC
回收方式	分代回收，基于Region	并发回收，基于着色指针和读屏障
String Pool处理	周期性扫描，Remembered Set，去重操作	并发扫描，String Pool作为根对象
停顿时间	可预测的停顿时间	极低的停顿时间
适用场景	中大型应用，需要可预测的停顿时间	大型应用，需要极低的停顿时间

代码示例（G1 String Deduplication）：

public class StringDeduplicationExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 启用G1垃圾收集器和字符串去重功能：
        // java -XX:+UseG1GC -XX:+UseStringDeduplication StringDeduplicationExample

        String str1 = new String("hello");
        String str2 = new String("hello");

        System.out.println(str1 == str2); // false，str1和str2是不同的对象

        // 触发垃圾回收，G1可能会进行字符串去重
        System.gc();
        System.runFinalization();

        // 等待一段时间，确保垃圾回收完成
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 再次比较，如果G1进行了字符串去重，str1和str2可能会指向同一个字符数组
        //注意: 这里str1和str2仍然是不同的对象，即使G1做了去重，也只是共享底层的char[]
        System.out.println(str1 == str2); // 仍然是false

        //可以通过反射的方式来验证char[]是否相同
        try {
            java.lang.reflect.Field valueField = String.class.getDeclaredField("value");
            valueField.setAccessible(true);
            char[] value1 = (char[]) valueField.get(str1);
            char[] value2 = (char[]) valueField.get(str2);
            System.out.println("char[] are same: " + (value1 == value2)); // 启用字符串去重后，可能为true
        } catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

代码解释:

首先，创建两个内容相同的字符串对象 str1 和 str2。
然后，触发垃圾回收，希望G1能够进行字符串去重。
最后，再次比较 str1 和 str2。即使启用了字符串去重功能， str1 == str2 仍然是 false，因为 str1 和 str2 仍然是不同的对象。但是，它们可能指向同一个字符数组，可以通过反射的方式来验证。
需要注意的是，字符串去重功能的效果取决于JVM的实现和垃圾回收的策略。

String Pool 使用的最佳实践

谨慎使用 String.intern()： 只有在确定需要共享字符串对象，并且能够显著减少内存占用时，才使用 String.intern()。过度使用 String.intern() 可能会增加String Pool的负担，降低性能。
避免创建大量的重复字符串： 尽量重用已有的字符串对象，而不是每次都创建新的字符串对象。
监控String Pool的大小： 可以使用JVM监控工具来监控String Pool的大小，及时发现内存泄漏问题。
合理配置垃圾收集器： 根据应用程序的需求，选择合适的垃圾收集器，并进行合理的配置。
考虑使用字符串去重功能： 如果应用程序中存在大量的重复字符串，可以考虑启用G1的字符串去重功能。

总结：String Pool与现代垃圾收集器协同工作，优化字符串管理

String Pool是Java中一个重要的优化机制，可以提高性能和节省内存。G1和ZGC等现代垃圾收集器能够有效地回收String Pool中的垃圾字符串，从而减少内存占用，提高应用程序的性能。合理使用String Pool，并配置合适的垃圾收集器，可以充分发挥String Pool的优势，构建高效的Java应用程序。

现代收集器对String Pool的有效管理

现代垃圾收集器，如G1和ZGC，通过并发回收、Remembered Set、着色指针和读屏障等技术，能够更有效地管理String Pool，减少内存占用，降低停顿时间，从而提高应用程序的整体性能。理解这些机制有助于我们编写更高效、更健壮的Java代码。