Java的JVM常量池：实现String.intern()时，字符串对象的精确驻留机制 - 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

好的，我们现在开始探讨Java JVM常量池以及String.intern()方法实现的字符串对象精确驻留机制。

引言：常量池的重要性

在Java虚拟机（JVM）中，常量池扮演着至关重要的角色。它是一个存储类、方法、字段和其他字面量信息的共享区域，存在于每个类的Class文件中。运行时常量池则是JVM在加载类时，将Class文件中的常量池信息加载到内存中所形成的。常量池的主要目的是为了提高性能和节省内存。通过对常量进行复用，避免重复创建相同的对象，从而减少内存占用，并提高对象比较的效率（因为可以直接比较引用地址）。

字符串常量池是常量池的一个重要组成部分，专门用来存储字符串字面量。由于字符串在Java应用中频繁使用，对字符串进行优化可以显著提升性能。

字符串常量池的演进

字符串常量池在不同的JDK版本中有所变化，这直接影响了String.intern()方法的行为：

JDK 6 及之前: 字符串常量池位于永久代（PermGen）中。永久代是方法区的一部分，主要用于存储类的信息、静态变量、常量等。永久代的大小是固定的，并且很难进行垃圾回收。
JDK 7: 字符串常量池被移动到了堆（Heap）中。堆是Java对象的主要存储区域，可以进行垃圾回收，并且大小可以动态调整。
JDK 8 及之后: 永久代被元空间（Metaspace）取代。元空间也位于方法区，但它使用本地内存，而不是JVM内存。字符串常量池仍然位于堆中。

这些变化对String.intern()方法的影响主要体现在内存占用和垃圾回收方面。在JDK 6及之前，大量的字符串驻留可能导致永久代溢出（OutOfMemoryError）。而在JDK 7及之后，由于字符串常量池位于堆中，更容易进行垃圾回收，并且可以动态扩展，从而解决了永久代溢出的问题。

String.intern()方法：定义与作用

String.intern()方法是Java字符串类的一个本地方法，它的作用是将一个字符串对象添加到字符串常量池中。更具体地说，它执行以下操作：

检查字符串常量池中是否存在与该字符串对象内容相同的字符串。
如果存在，则返回常量池中该字符串的引用。
如果不存在：
- JDK 6 及之前: 在字符串常量池中创建一个新的字符串对象，并将该对象的引用返回。
- JDK 7 及之后: 将该字符串对象的引用复制到字符串常量池中，并返回该引用。注意，这里并没有创建新的字符串对象，而是直接存储了堆中已有字符串对象的引用。

String.intern()的精确驻留机制：深入剖析

String.intern()方法的精确驻留机制是指它确保字符串常量池中只存在一个与特定字符串内容相同的字符串对象（或者引用，取决于JDK版本）。这种机制通过以下方式实现：

哈希表查找： 字符串常量池内部通常使用哈希表来存储字符串。当调用intern()方法时，首先会计算字符串的哈希值，并在哈希表中查找是否存在具有相同哈希值且内容相同的字符串。
equals()方法比较： 如果哈希值匹配，还需要使用equals()方法进行内容比较，以确保找到的字符串确实与目标字符串相同。
对象创建/引用存储： 如果字符串常量池中不存在相同的字符串，则根据JDK版本的不同，执行不同的操作：
- 在JDK 6及之前，创建一个新的字符串对象，并将其添加到字符串常量池中。
- 在JDK 7及之后，将堆中现有字符串对象的引用添加到字符串常量池中。
返回引用： 无论是否存在相同的字符串，intern()方法最终都会返回字符串常量池中的字符串引用。

代码示例：演示String.intern()的行为

以下代码示例演示了String.intern()方法在不同JDK版本中的行为差异：

public class StringInternExample {

    public static void main(String[] args) {
        // 示例 1: 常量池中已存在字面量 "hello"
        String s1 = "hello";
        String s2 = new String("hello");
        String s3 = s2.intern();

        System.out.println("s1 == s2: " + (s1 == s2)); // false
        System.out.println("s1 == s3: " + (s1 == s3)); // true
        System.out.println("s2 == s3: " + (s2 == s3)); // JDK 6: false, JDK 7+: false

        // 示例 2: 常量池中不存在字面量 "java"
        String s4 = new String("java");
        String s5 = s4.intern();
        String s6 = "java";

        System.out.println("s4 == s5: " + (s4 == s5)); // JDK 6: false, JDK 7+: false
        System.out.println("s5 == s6: " + (s5 == s6)); // true
        System.out.println("s4 == s6: " + (s4 == s6)); // JDK 6: false, JDK 7+: false

        // 示例 3: 特殊情况，字符串拼接
        String s7 = new String("ja") + new String("va");
        String s8 = s7.intern(); //在JDK 7+ 字符串常量池里存的是s7的引用
        String s9 = "java"; // 常量池已有引用, 指向s7

        System.out.println("s7 == s8: " + (s7 == s8)); // JDK 6: false, JDK 7+: true
        System.out.println("s7 == s9: " + (s7 == s9)); // JDK 6: false, JDK 7+: true
        System.out.println("s8 == s9: " + (s8 == s9)); // true

        // 示例 4: 字面量先出现
        String s10 = "world"; // 先将 "world" 放入常量池
        String s11 = new String("world");
        String s12 = s11.intern();

        System.out.println("s10 == s11: " + (s10 == s11)); // false
        System.out.println("s10 == s12: " + (s10 == s12)); // true
        System.out.println("s11 == s12: " + (s11 == s12)); // JDK 6: false, JDK 7+: false

        // 示例 5: 非常量池创建字符串再驻留
         String str1 = new String("he") + new String("llo");
         str1.intern(); // 在字符串常量池中记录 str1 的引用
         String str2 = "hello"; // 此时字符串常量池中已经存在指向 str1 的 "hello" 引用
         System.out.println(str1 == str2); //JDK6:false JDK7/8: true

        //示例6: 先intern后定义字符串
        String str3 = new String("Hel") + new String("lo");
        String str4 = "Hello";
        str3.intern(); //此时常量池记录的是str4的地址.
        System.out.println(str3 == str4); //false 因为str4的地址在str3.intern()之前已经存在于字符串常量池了。

    }
}

代码解释：

示例 1: "hello" 是一个字面量，在编译时已经进入常量池。s2 是通过 new 关键字创建的字符串对象，位于堆中。s3 调用 intern() 方法，返回常量池中 "hello" 的引用，因此 s1 == s3 为 true。 s1和s2引用地址不同， s2和s3也引用地址不同。
示例 2: "java" 最初不存在于常量池中。s4 是通过 new 关键字创建的字符串对象。s5 调用 intern() 方法，将 s4 的引用添加到常量池中（JDK 7+）。s6 是一个字面量，在编译时创建，并指向常量池中 s4 的引用。因此 s5 == s6 为 true。无论JDK版本，s4和s5引用地址不同。
示例 3: s7 是通过字符串拼接创建的，不在常量池中。s8 调用 intern() 方法，将 s7 的引用添加到常量池中（JDK 7+）。s9 是一个字面量，指向常量池中 s7 的引用。因此 s7 == s8 和 s7 == s9 都为 true（JDK 7+）。
示例 4: 先将 "world" 放入常量池，后续intern返回的是常量池中的地址。
示例 5: str1是一个堆上的对象，str1.intern()将str1的引用放入常量池, str2 = "hello"是从常量池中寻找，所以 str1==str2 为true。
示例 6: str3.intern() 已经在常量池中保存了str4字符串的地址，所以后续str3==str4为false。

String.intern()的性能考量

虽然String.intern()可以节省内存，但它也可能带来性能问题：

时间复杂度： intern() 方法的时间复杂度取决于字符串常量池的实现。如果字符串常量池使用哈希表，则平均时间复杂度为 O(1)，但在最坏情况下（哈希冲突严重），时间复杂度可能达到 O(n)。
空间复杂度： 大量使用 intern() 方法可能导致字符串常量池膨胀，占用大量内存。

因此，在使用 intern() 方法时需要谨慎，只在必要时使用，并避免过度使用。

使用场景：何时使用String.intern()?

String.intern() 方法适用于以下场景：

减少内存占用： 当应用程序中存在大量重复的字符串对象时，可以使用 intern() 方法将这些字符串对象驻留到字符串常量池中，从而减少内存占用。
提高字符串比较效率： 当需要频繁比较字符串是否相等时，可以使用 intern() 方法将字符串对象驻留到字符串常量池中，然后直接比较引用地址，从而提高比较效率。
规范化字符串： 当需要对字符串进行规范化时，可以使用 intern() 方法将字符串对象驻留到字符串常量池中，从而确保所有内容相同的字符串都指向同一个对象。

替代方案：避免过度使用String.intern()

在某些情况下，过度使用 String.intern() 方法可能会带来性能问题。以下是一些替代方案：

使用字符串字面量： 尽可能使用字符串字面量，因为字面量在编译时会自动添加到字符串常量池中。
字符串池（String Pool）： 自定义字符串池，使用 HashMap 或其他数据结构来存储字符串对象，并手动管理字符串对象的驻留。
G1垃圾回收器的字符串去重（String Deduplication）： G1 垃圾回收器提供了字符串去重功能，可以自动识别并去重重复的字符串对象，而无需显式调用 intern() 方法。开启方法：-XX:+UseStringDeduplication

表格：String.intern()在不同JDK版本中的行为对比

特性	JDK 6 及之前	JDK 7 及之后
常量池位置	永久代（PermGen）	堆（Heap）
intern()行为	创建新的字符串对象，并将其添加到常量池中	将字符串对象的引用复制到常量池中
内存占用	永久代大小固定，容易溢出	堆大小可动态调整，不易溢出
垃圾回收	永久代垃圾回收困难	堆垃圾回收更容易
性能	大量使用可能导致永久代溢出，影响性能	性能更好，但仍需谨慎使用

代码示例：使用G1垃圾回收器的字符串去重

public class StringDeduplicationExample {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 开启G1垃圾回收器，并启用字符串去重
        // java -XX:+UseG1GC -XX:+UseStringDeduplication StringDeduplicationExample

        List<String> stringList = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            String str = new String("example string " + i % 100); // 创建大量重复字符串
            stringList.add(str);
            Thread.sleep(1); // 模拟应用运行
        }

        System.out.println("String list size: " + stringList.size());
        System.out.println("Finished creating strings. Waiting for garbage collection...");
        Thread.sleep(60000); // 等待一段时间，以便垃圾回收器执行字符串去重
        System.out.println("Finished waiting.");
    }
}

运行这段代码时，请确保使用以下JVM参数来启用G1垃圾回收器和字符串去重：

java -XX:+UseG1GC -XX:+UseStringDeduplication StringDeduplicationExample

通过观察内存占用情况，可以看到字符串去重功能可以有效地减少重复字符串占用的内存。

结论：理解和应用String.intern()

String.intern() 方法是Java字符串类中一个强大但需要谨慎使用的工具。理解其精确驻留机制以及在不同JDK版本中的行为差异，可以帮助我们更好地利用它来优化内存占用和提高字符串比较效率。然而，过度使用 intern() 方法也可能带来性能问题，因此需要根据具体应用场景进行权衡，并考虑使用替代方案。掌握这些知识，可以帮助我们编写更高效、更可靠的Java代码。理解了常量池和String.intern()，才能更好的优化代码。

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