JVM常量池（class文件常量池，运行时常量池，字符串常量池）

问题

jdk1.8之后

• 元空间是独立存在的？还是位于方法区？
• 字符串常量池在堆中还是独立存在？

在 JDK 1.8 及之后版本：

1. 元空间与方法区关系：元空间可以理解为是方法区的一种实现 。JDK 1.8 移除了永久代，引入元空间来替代。元空间使用本地内存（Native Memory ），不再像永久代那样在 JVM 堆内存中划分一块固定区域。此时方法区的功能由元空间来承担，运行时常量池等原本在方法区的部分也存在于元空间中，但元空间和传统意义上方法区概念并非完全等同，只是功能上有继承关系。 所以说元空间是方法区新的实现形式，它不是独立于方法区概念存在，而是改变了方法区的实现方式。
2. 字符串常量池位置：字符串常量池在堆中。JDK 1.7 时，字符串常量池从方法区（永久代 ）迁移到堆中，JDK 1.8 延续了这一做法。在堆中的字符串常量池，用于存储字符串字面量以及通过String.intern()方法添加进去的字符串 。其物理位置位于堆中，逻辑归属于方法区，从 Java 虚拟机规范角度，它是方法区相关概念的一部分，承担着存储字符串字面量等常量的功能，和方法区其他组成部分（如运行时常量池等）有紧密逻辑关联。

JVM运行时数据区

从类加载，到JVM运行时数据区的整体结构画出来，如下图所示（元空间位于本地内存）。Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域都有各自的用途。

JVM运行时数据区在物理内存上并不是单一的连续内存块，而是由多个不同物理来源的内存区域组合而成的逻辑概念。

JVM中的常量池

JVM中的常量池可以分成以下几类：

1. Class文件常量池/静态常量池
2. （全局）字符串常量池
3. 运行时常量池

Class文件常量池

程序编译后可以通过javap -c 类名.class查看该类的字节码文件。或者使用jclasslib插件。

1. 位置：存在于编译后的.class文件中，是.class文件的一部分。

   • 在编译阶段，静态常量池在.class文件中，此时还未加载到JVM内存，纯属磁盘上的文件内容。
   • 当类被JVM加载时，静态常量池的内容会被解析并存入运行时常量池（Runtime Constant Pool）。

2. 作用：存储编译期生成的各种字面量和符号引用。

   • 字面量：指的是在源代码中直接给出的数据值，在源代码中直接写出的数值，字符串，布尔等。比如文本字符串（String a = “Hello World”）；声明为final的常量值(private int value = 1)；基本数据类型的值。

   • 符号引用

     • 类和接口的全限定名。也就是Ljava/lang/String;，主要用于在运行时解析得到类的直接引用。

         #23 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
         #25 = Utf8               [Ljava/lang/String;
         #27 = Utf8               Ljava/lang/String;
       

     • 字段的名称和描述符。字段也就是类或者接口中声明的变量，包括类级别变量(static)和实例级的变量。

     • 方法的名称和描述符。方法的描述类似于JNI动态注册时的“方法签名”，也就是参数类型+返回值类型，比如下面的这种字节码，表示main方法和String返回类型。

         #19 = Utf8               main
         #20 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
       

运行时常量池

运行时常量池就是每一个类或接口的常量池（constant pool）在运行时的表现形式。

一个类在加载的过程，会经历加载、连接（验证、准备、解析）、初始化，而在类加载这个阶段，需要做以下几件事情：

1. 通过一个类的全类限定名获取此类的二进制字节流。
2. 在堆内存生成一个java.lang.Class对象,代表加载这个类,做为这个类的入口。
3. 将class字节流的静态存储结构转化成方法区(元空间）的运行时数据结构。

而第三点就包含了class文件常量池进入运行时常量池的过程。

所以，运行时常量池的作用是存储class文件常量池中的符号信息，在类的解析阶段会把这些符号引用转换成直接引用(实例对象的内存地址),翻译出来的直接引用也是存储在运行时常量池中。class文件常量池的大部分数据会被加载到运行时常量池。

虽然方法区（或元空间）是全局共享的内存区域，但每个类都有自己独立的运行时常量池。

运行时常量池是 动态的符号引用解析中心，其核心行为可归纳为：

1. 存储：承载 Class 文件常量池的原始符号信息
2. 转换：在解析阶段将符号引用替换为直接引用
3. 扩展：支持运行时动态添加新常量
4. 协同：与字符串常量池、方法区元数据紧密交互

字符串常量池

位置

虽然从物理位置上看，它在堆空间内，但它是一个逻辑上独立的区域。

存在意义

JVM之所以单独设计字符串常量池，是JVM为了提高性能以及减少内存开销的一些优化：

1. String对象作为Java语言中重要的数据类型，是内存中占据空间最大的一个对象。高效地使用字符串，可以提升系统的整体性能。
2. 创建字符串常量时，首先检查字符串常量池是否存在该字符串，如果有，则直接返回该引用实例，不存在，则实例化该字符串放入常量池中。

举例

String a="Hello";

String b=new String("Mic");

1. a这个变量，是在编译期间就已经确定的，会进入到字符串常量池。
2. b这个变量，是通过new关键字实例化，new是创建一个对象实例并初始化该实例，因此这个字符串对象是在运行时才能确定的，创建的实例在堆空间上。

创建了几个对象

深入理解Java字符串常量池 | 二哥的Java进阶之路

String s = new String("二哥");

使用 new 关键字创建一个字符串对象时，Java 虚拟机会先在字符串常量池中查找有没有‘二哥’这个字符串对象，如果有，就不会在字符串常量池中创建‘二哥’这个对象了，直接在堆中创建一个‘二哥’的字符串对象，然后将堆中这个‘二哥’的对象地址返回赋值给变量 s。

如果没有，先在字符串常量池中创建一个‘二哥’的字符串对象，然后再在堆中创建一个‘二哥’的字符串对象，然后将堆中这个‘二哥’的字符串对象地址返回赋值给变量 s。

对于这行代码 String s = new String("二哥");，它创建了两个对象：一个是字符串对象 “二哥”，它被添加到了字符串常量池中，另一个是通过 new String() 构造方法创建的字符串对象 “二哥”，它被分配在堆内存中，同时引用变量 s 存储在栈上，它指向堆内存中的字符串对象 “二哥”。

String的定义

public final class String

    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {

    /** The value is used for character storage. */

    private final char value[];



    /** Cache the hash code for the string */

    private int hash; // Default to 0

}

从上述源码中可以发现。

1. String这个类是被final修饰的，代表该类无法被继承。
2. String这个类的成员属性value[]也是被final修饰，代表该成员属性不可被修改。

因此String具有不可变的特性，也就是说String一旦被创建，就无法更改。这么设计的好处有几个。

1. 方便实现字符串常量池： 在Java中，由于会大量的使用String常量，如果每一次声明一个String都创建一个String对象，那将会造成极大的空间资源的浪费。Java提出了String pool的概念，在堆中开辟一块存储空间String pool，当初始化一个String变量时，如果该字符串已经存在了，就不会去创建一个新的字符串变量，而是会返回已经存在了的字符串的引用。如果字符串是可变的，某一个字符串变量改变了其值，那么其指向的变量的值也会改变，String pool将不能够实现！
2. 线程安全性，在并发场景下，多个线程同时读一个资源，是安全的，不会引发竞争，但对资源进行写操作时是不安全的，不可变对象不能被写，所以保证了多线程的安全。
3. 保证 hash 属性值不会频繁变更。确保了唯一性，使得类似HashMap容器才能实现相应的key-value缓存功能，于是在创建对象时其hashcode就可以放心的缓存了，不需要重新计算。这也就是Map喜欢将String作为Key的原因，处理速度要快过其它的键对象。所以HashMap中的键往往都使用String。

intern()

1. JDK文档中关于intern()方法的说明：当调用intern方法时，如果常量池（内置在 JVM 中的）中已经包含相同的字符串，则返回池中的字符串。否则，将此String对象添加到池中，并返回对该String对象的引用。‘
2. 注意，所有字符串字面量在初始化时，会默认调用intern()方法。
3. intern() 方法的核心逻辑
   • 检查常量池：JVM 会通过内容匹配（而非引用相等）查找常量池中是否已有该字符串。
   • 处理结果
     • 若存在：返回常量池中的引用（可能指向堆中的对象）。
     • 若不存在：JDK 7 及以后：直接在常量池中记录堆中对象的引用，而非复制内容（节省内存），并返回该引用。

问题

public static void main(String[] args) {

   String a = new String(new char[]{'a', 'b', 'c'});  // 堆中创建新对象，常量池未变化

   String b = a.intern();                              // 将a的内容放入常量池（如果不存在），并返回池中的引用

   System.out.println(a == b);                         // true：此时常量池中的引用就是a本身
}

1. 为什么 new String(char[]) 不会自动调用 intern()？

当使用 new String(char[]) 构造函数时，JVM 会创建一个全新的String对象，但不会自动将其放入常量池。这是因为：

• 常量池的设计初衷：常量池主要用于存储编译期已知的字符串字面量（如 "abc"）或显式调用 intern() 的字符串。
• 性能考量：如果每次通过字符数组创建字符串都自动入池，会导致常量池膨胀，影响性能和内存占用。
• 语义一致性：new 关键字的语义是 “强制创建新对象”，即使常量池中已有相同内容的字符串，new String(char[]) 也会创建独立的对象。

3. 总结：何时字符串会进入常量池？

• 编译期已知的字面量（如 "abc"）会在类加载时自动进入常量池。
• 运行时动态创建的字符串（如通过字符数组、substring() 等方法）不会自动入池，除非显式调用 intern()。