深入Java源碼剖析之字元串常量

字元串在Java生産開發中的使用頻率是非常高的，可見，字元串對于我們而言非常關鍵。那麼從C語言過來的同學會發現，在C中是沒有String類型的，那麼C語言要想實作字元串就必須使用char數組，通過一個個的字元來組拼成字元串。

Java中是如何實作字元串的

那其實在Java中，關于字元串的實作，其實用的也是char數組，這可以從源碼中得到展現。

/**
     * Initializes a newly created {@code String} object so that it represents
     * the same sequence of characters as the argument; in other words, the
     * newly created string is a copy of the argument string. Unless an
     * explicit copy of {@code original} is needed, use of this constructor is
     * unnecessary since Strings are immutable.
     *
     * @param  original
     *         A {@code String}
     */
    public String(String original) {
        this.value = original.value;
        this.hash = original.hash;
    }

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這是String類的構造方法，而這個value實際上就是char數組。

/** The value is used for character storage. */
    private final char value[];

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字元串在記憶體中的儲存方式

我們都知道如何去建立一個字元串，那麼，字元串在記憶體中的儲存方式是怎樣的呢？

在記憶體中有一個區域叫做常量池，而當我們以這樣的方式去建立字元串：

String s1 = "abc";
String s2 = "abc";

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這個字元串就一定會被儲存到常量池中。而Java虛拟機如果發現常量池中已經存在需要建立的字元串中，它就不會重複建立，而是指向那個字元串即可。

String s1 = "abc";
String s2 = "abc";
System.out.println(s1 == s2);

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是以上述代碼段的執行結果一定是true。

但是如果使用new關鍵字區建立字元串，過程就不太一樣了。比如下面的聲明：

String s3 = new String("abc");
String s4 = new String("abc");

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過程是這樣的：首先将abc儲存在常量池中，此時并沒有引用，然後new關鍵字會去建立一個字元串對象，就會在堆記憶體中建立abc，然後s3變量指向abc。當執行第二句聲明時，因為常量池中已經存在abc，是以不會重複建立，而new關鍵字又會去堆記憶體開辟空間存放abc，然後s4變量指向abc。

String s3 = new String("abc");
String s4 = new String("abc");
System.out.println(s3 == s4);

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是以上述代碼段的執行結果一定是false。

字元串駐留

當相同的字元串常量被多次建立時，注意是使用雙引号(" ")顯式聲明時，字元串常量對象會被儲存在常量池中，且隻會建立一個對象，這就是字元串駐留，這個名詞的産生就是為了提升性能。簡單提一下，字元串中有一個方法叫做intern()；那麼這個方法有什麼作用呢？該方法會去常量池中尋找目前調用該方法的字元串常量，若找到，則直接傳回該字元串對象，若沒有，則将目前字元串放入常量池并傳回，總之該方法一定會傳回字元串。

String s3 = new String("abc");
String s4 = new String("abc");
System.out.println(s3.intern() == s4.intern());

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是以上述代碼段的執行結果一定是true，因為字元串駐留隻允許常量池中一個相同字元串的存在。

JVM記憶體結構

剛才一直在說常量池，那麼常量池具體在哪呢？這就要來研究一下JVM的記憶體結構。

JVM分為堆、棧、方法區，棧又分為本地方法棧和Java棧。

在Java7之前常量池就放在方法區裡，而從Java7開始，常量池被移到了堆。這樣說過于抽象，我們可以通過代碼來感受這一過程。

String s1 = new String("hello") + new String("world");
String s2 = "helloworld";
System.out.println(s1 == s2);

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上述程式段的執行結果一定是false。因為s1變量在堆中，而s2變量在常量池中，兩者肯定不相同。

那麼看下面這段代碼，猜猜看結果是什麼？

String s1 = new String("hello") + new String("world");
System.out.println(s1.intern() == s1);

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按照剛才的分析，intern()傳回的一定是常量池裡的字元串，而s1變量在堆中，它們肯定是不一樣的，但運作結果竟然是true。那是不是就能解釋常量池在堆中，是以它們指向的是同一個對象呢？其實還不完全是，我們可以繼續看一段代碼。

String s1 = new String("hello") + new String("world");
System.out.println(s1.intern() == s1);
String s2 = new String("hello") + new String("world");	
System.out.println(s2.intern() == s2);

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這段代碼的運作結果：

true
false

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感覺很神奇，讓人猜不透，摸不着。别急，下面我們來一起分析一下。

通過這個圖來了解一下，首先第一行代碼會在常量池中建立hello和world兩個字元串，接着在堆中開辟了一個空間存放組合後的字元串helloworld，然後變量s1指向它。我們說intern()會傳回常量池中的字元串，那麼在常量池中沒有helloworld的情況下intern()方法會怎樣處理呢？其實它會将對堆中helloworld的引用放入常量池中，此時s1.intern()和s1都指向的是同一個對象，它們是相等的。但是s2在建立的過程中也會在堆中開辟一個空間存放helloworld，使變量s2指向它，而s2.intern()方法在執行的時候發現，helloworld的引用已經存在，是以直接傳回，但此時傳回的其實是s1變量的引用，那麼s2.intern()與s2不相等相信大家能夠了解了。

String s1 = new String("hello") + new String("world");
System.out.println(s1.intern() == s1);
String s2 = new String("hello") + new String("world");
System.out.println(s2.intern() == s1);

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那麼這段程式的輸出結果你若是能立馬知曉，那麼恭喜你，前面的知識點你已基本掌握。執行結果就是：

true
true

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我們還可以通過一個極端的方法來判斷常量池的位置。

List list = new ArrayList();
String str = "boom";
for(int i = 0;i < Integer.MAX_VALUE;i++) {
	String temp = str + i;
	str = temp;
	list.add(temp.intern());	
}

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通過編寫這一段程式能夠讓JVM去不停地将字元串變量存入常量池進而使其記憶體溢出，記憶體溢出後控制台資訊如下：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
	at java.util.Arrays.copyOfRange(Arrays.java:2694)
	at java.lang.String.<init>(String.java:203)
	at java.lang.StringBuilder.toString(StringBuilder.java:405)
	at com.itcast.test2.StringTest.main(StringTest.java:25)

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可以看到，控制台資訊提示堆記憶體溢出，這也可以得出常量池的位置是在堆内。

這是Java7及其以後版本的輸出資訊，當我們将版本切換為Java7之前的版本，同樣的代碼，輸出資訊如下：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
	at java.util.Arrays.copyOfRange(Arrays.java:2694)
	at java.lang.String.<init>(String.java:203)
	at java.lang.StringBuilder.toString(StringBuilder.java:405)
	at com.itcast.test2.StringTest.main(StringTest.java:25)

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PermGen space其實就是方法區，那麼其實在JVM中的堆，一般分為三大部分：新生代、老年代、永久代：這個PermGen space就是永久代，也就是方法區，叫法不同而已。

其它問題

繼續來探讨一下關于字元串常量的一些其它問題。

String s1 = "hello" + "world";
String s2 = "helloworld";
System.out.println(s1 == s2);
	
String temp = "hello";
String s3 = temp + "world";
String s4 = "helloworld";
System.out.println(s3 == s4);

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那麼，這兩個輸出的結果是什麼呢？

結果是：

true
false

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第一個輸出為true不難了解，因為s1和s2指向的都是常量池中的helloworld字元串，那麼s3和s4難道就不是嗎？它還真就不是這樣了。s3在建立過程中會将temp儲存在堆記憶體中，是以s3和s4指向的對象不是同一個。

我們可以通過反編譯來證明，将這段代碼的.class檔案進行反編譯，結果如下：

String s1 = "helloworld";
String s2 = "helloworld";	
System.out.println(s1 == s2);
	
String temp = "hello";
String s3 = String.valueOf(temp) + "world";
String s4 = "helloworld";
System.out.println(s3 == s4);

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我們可以看到，s1和s2的建立過程其實是一模一樣的，其實，JVM為了優化速度，當它确定是兩個字元串常量進行拼接時，它會在編譯器就完成拼接，而并不會去建立對象處理，但是s3的建立要經過temp變量，因為JVM無法在編譯期就推測出temp，是以它要通過String對象來進行處理，将temp放入堆記憶體。

是以，并不是說隻有出現new關鍵字變量才會放入堆記憶體中。

希望這篇文章能夠使你更加深入地了解字元串常量。