StringTable（字符串常量池）

String的基本特性

String：字符串，使用一对 “” 引起来表示

String s1 = "atguigu" ;             // 字面量的定义方式
String s2 =  new String("hello");     // new 对象的方式

String被声明为final的，不可被继承
String实现了Serializable接口：表示字符串是支持序列化的。实现了Comparable接口：表示String可以比较大小
String在jdk8及以前内部定义了final char value[]用于存储字符串数据。JDK9时改为byte[]

为什么 JDK9 改变了 String 的结构

官方文档：http://openjdk.java.net/jeps/254

为什么改为 byte[] 存储？

String类的当前实现将字符存储在char数组中，每个字符使用两个字节(16位)。
从许多不同的应用程序收集的数据表明，字符串是堆使用的主要组成部分，而且大多数字符串对象只包含拉丁字符（Latin-1）。这些字符只需要一个字节的存储空间，因此这些字符串对象的内部char数组中有一半的空间将不会使用，产生了大量浪费。
之前 String 类使用 UTF-16 的 char[] 数组存储，现在改为 byte[] 数组外加一个编码标识存储。该编码表示如果你的字符是ISO-8859-1或者Latin-1，那么只需要一个字节存。如果你是其它字符集，比如UTF-8，你仍然用两个字节存
结论：String再也不用char[] 来存储了，改成了byte [] 加上编码标记，节约了一些空间
同时基于String的数据结构，例如StringBuffer和StringBuilder也同样做了修改

// 之前
private final char value[];
// 之后
private final byte[] value

String 的基本特性

String：代表不可变的字符序列。简称：不可变性。

当对字符串重新赋值时，需要重写指定内存区域赋值，不能使用原有的value进行赋值。
当对现有的字符串进行连接操作时，也需要重新指定内存区域赋值，不能使用原有的value进行赋值。
当调用String的replace()方法修改指定字符或字符串时，也需要重新指定内存区域赋值，不能使用原有的value进行赋值。

通过字面量的方式（区别于new）给一个字符串赋值，此时的字符串值声明在字符串常量池中。

当对字符串重新赋值时，需要重写指定内存区域赋值，不能使用原有的value进行赋值

代码

@Test
public void test1() {
       String s1 = "abc";//字面量定义的方式，"abc"存储在字符串常量池中
       String s2 = "abc";
       s1 = "hello";

       System.out.println(s1 == s2);//判断地址：true  --> false

       System.out.println(s1);//
       System.out.println(s2);//abc

}

字节码指令

取字符串 “abc” 时，使用的是同一个符号引用：#2
取字符串 “hello” 时，使用的是另一个符号引用：#3

当对现有的字符串进行连接操作时，也需要重新指定内存区域赋值，不能使用原有的value进行赋值

@Test
public void test2() {
       String s1 = "abc";
       String s2 = "abc";
       s2 += "def";
       System.out.println(s2);//abcdef
       System.out.println(s1);//abc
}

当调用string的replace()方法修改指定字符或字符串时，也需要重新指定内存区域赋值，不能使用原有的value进行赋值

@Test
public void test3() {
    String s1 = "abc";
    String s2 = s1.replace('a', 'm');
    System.out.println(s1);//abc
    System.out.println(s2);//mbc
}

一道笔试题

public class StringExer {
    String str = new String("good");
    char[] ch = {'t', 'e', 's', 't'};

    public void change(String str, char ch[]) {
        str = "test ok";
        ch[0] = 'b';
    }

    public static void main(String[] args) {
        StringExer ex = new StringExer();
        ex.change(ex.str, ex.ch);
        System.out.println(ex.str);//good
        System.out.println(ex.ch);//best
    }

}

str 的内容并没有变：“test ok” 位于字符串常量池中的另一个区域（地址），进行赋值操作并没有修改原来 str 指向的引用的内容

String 的底层结构

字符串常量池是不会存储相同内容的字符串的

String的String Pool（字符串常量池）是一个固定大小的Hashtable，默认值大小长度是1009。如果放进String Pool的String非常多，就会造成Hash冲突严重，从而导致链表会很长，而链表长了后直接会造成的影响就是当调用String.intern()方法时性能会大幅下降。
使用-XX:StringTablesize可设置StringTable的长度
在JDK6中StringTable是固定的，就是1009的长度，所以如果常量池中的字符串过多就会导致效率下降很快，StringTablesize设置没有要求
在JDK7中，StringTable的长度默认值是60013，StringTablesize设置没有要求
在JDK8中，StringTable的长度默认值是60013，StringTable可以设置的最小值为1009

测试不同 StringTable 长度下，程序的性能

代码

/**
 * 产生10万个长度不超过10的字符串，包含a-z,A-Z
 */
public class GenerateString {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        FileWriter fw =  new FileWriter("words.txt");

        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            //1 - 10
           int length = (int)(Math.random() * (10 - 1 + 1) + 1);
            fw.write(getString(length) + "\n");
        }

        fw.close();
    }

    public static String getString(int length){
        String str = "";
        for (int i = 0; i < length; i++) {
            //65 - 90, 97-122
            int num = (int)(Math.random() * (90 - 65 + 1) + 65) + (int)(Math.random() * 2) * 32;
            str += (char)num;
        }
        return str;
    }
}
public class StringTest2 {
    public static void main(String[] args) {

        BufferedReader br = null;
        try {
            br = new BufferedReader(new FileReader("words.txt"));
            long start = System.currentTimeMillis();
            String data;
            while((data = br.readLine()) != null){
                data.intern(); //如果字符串常量池中没有对应data的字符串的话，则在常量池中生成
            }

            long end = System.currentTimeMillis();

            System.out.println("花费的时间为：" + (end - start));//1009:143ms  100009:47ms
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if(br != null){
                try {
                    br.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

            }
        }
    }
}

-XX:StringTableSize=1009 ：程序耗时 143ms
-XX:StringTableSize=100009 ：程序耗时 47ms

String 的内存分配

在Java语言中有8种基本数据类型和一种比较特殊的类型String。这些类型为了使它们在运行过程中速度更快、更节省内存，都提供了一种常量池的概念。
常量池就类似一个Java系统级别提供的缓存。8种基本数据类型的常量池都是系统协调的，String类型的常量池比较特殊。它的主要使用方法有两种。

- 直接使用双引号声明出来的String对象会直接存储在常量池中。比如：String info="atguigu.com";
  - 如果不是用双引号声明的String对象，可以使用String提供的intern()方法。这个后面重点谈

Java 6及以前，字符串常量池存放在永久代
Java 7中 Oracle的工程师对字符串池的逻辑做了很大的改变，即将字符串常量池的位置调整到Java堆内

- 所有的字符串都保存在堆（Heap）中，和其他普通对象一样，这样可以让你在进行调优应用时仅需要调整堆大小就可以了。
  - 字符串常量池概念原本使用得比较多，但是这个改动使得我们有足够的理由让我们重新考虑在Java 7中使用String.intern()。

Java8元空间，字符串常量在堆

StringTable 为什么要调整？

官方文档:https://www.oracle.com/java/technologies/javase/jdk7-relnotes.html#jdk7changes

为什么要调整位置？

- 永久代的默认空间大小比较小
  - 永久代垃圾回收频率低，大量的字符串无法及时回收，容易进行Full GC产生STW或者容易产生OOM：PermGen Space
  - 堆中空间足够大，字符串可被及时回收

在JDK 7中，interned字符串不再在Java堆的永久代中分配，而是在Java堆的主要部分（称为年轻代和年老代）中分配，与应用程序创建的其他对象一起分配。
此更改将导致驻留在主Java堆中的数据更多，驻留在永久生成中的数据更少，因此可能需要调整堆大小。

代码示例

/**
 * jdk6中：
 * -XX:PermSize=6m -XX:MaxPermSize=6m -Xms6m -Xmx6m
 *
 * jdk8中：
 * -XX:MetaspaceSize=6m -XX:MaxMetaspaceSize=6m -Xms6m -Xmx6m
 */
public class StringTest3 {
    public static void main(String[] args) {
        //使用Set保持着常量池引用，避免full gc回收常量池行为
        Set<String> set = new HashSet<String>();
        //在short可以取值的范围内足以让6MB的PermSize或heap产生OOM了。
        short i = 0;
        while(true){
            set.add(String.valueOf(i++).intern());
        }
    }
}

输出结果：字符串真的在堆中（JDK8）

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at java.util.HashMap.resize(HashMap.java:703)
    at java.util.HashMap.putVal(HashMap.java:662)
    at java.util.HashMap.put(HashMap.java:611)
    at java.util.HashSet.add(HashSet.java:219)
    at com.atguigu.java.StringTest3.main(StringTest3.java:22)

Process finished with exit code 1

String 的基本操作

Java语言规范里要求完全相同的字符串字面量，应该包含同样的Unicode字符序列（包含同一份码点序列的常量），并且必须是指向同一个String类实例。

举例1

public class StringTest4 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println();//2293
        System.out.println("1");//2294
        System.out.println("2");
        System.out.println("3");
        System.out.println("4");
        System.out.println("5");
        System.out.println("6");
        System.out.println("7");
        System.out.println("8");
        System.out.println("9");
        System.out.println("10");//2303
        //如下的字符串"1" 到 "10"不会再次加载
        System.out.println("1");//2304
        System.out.println("2");//2304
        System.out.println("3");
        System.out.println("4");
        System.out.println("5");
        System.out.println("6");
        System.out.println("7");
        System.out.println("8");
        System.out.println("9");
        System.out.println("10");//2304
    }
}

分析字符串常量池的变化

1、程序启动时已经加载了 2349 个字符串常量

2、加载了一个换行符（println），所以多了一个

3、加载了字符串常量 “1”~“9”

4、加载字符串常量 “10”

5、之后的字符串”1” 到 “10”不会再次加载

举例2

//官方示例代码
class Memory {
    public static void main(String[] args) {//line 1
        int i = 1;//line 2
        Object obj = new Object();//line 3
        Memory mem = new Memory();//line 4
        mem.foo(obj);//line 5
    }//line 9

    private void foo(Object param) {//line 6
        String str = param.toString();//line 7
        System.out.println(str);
    }//line 8
}

分析运行时内存（foo() 方法是实例方法，其实图中少了一个 this 局部变量）

字符串拼接操作

先说结论

常量与常量的拼接结果在常量池，原理是编译期优化
常量池中不会存在相同内容的变量
拼接前后，只要其中有一个是变量，结果就在堆中。变量拼接的原理是StringBuilder
如果拼接的结果调用intern()方法，根据该字符串是否在常量池中存在，分为：

- 如果存在，则返回字符串在常量池中的地址
  - 如果字符串常量池中不存在该字符串，则在常量池中创建一份，并返回此对象的地址

1、常量与常量的拼接结果在常量池，原理是编译期优化

代码

@Test
public void test1(){
        String s1 = "a" + "b" + "c";//编译期优化：等同于"abc"
        String s2 = "abc"; //"abc"一定是放在字符串常量池中，将此地址赋给s2
        /*
         * 最终.java编译成.class,再执行.class
         * String s1 = "abc";
         * String s2 = "abc"
         */
        System.out.println(s1 == s2); //true
        System.out.println(s1.equals(s2)); //true
}

从字节码指令看出：编译器做了优化，将 “a” + “b” + “c” 优化成了 “abc”

0 ldc #2 <abc>
2 astore_1
3 ldc #2 <abc>
5 astore_2
6 getstatic #3 <java/lang/System.out>
9 aload_1
10 aload_2
11 if_acmpne 18 (+7)
14 iconst_1
15 goto 19 (+4)
18 iconst_0
19 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
22 getstatic #3 <java/lang/System.out>
25 aload_1
26 aload_2
27 invokevirtual #5 <java/lang/String.equals>
30 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
33 return

IDEA 反编译 class 文件后，来看这个问题

2、拼接前后，只要其中有一个是变量，结果就在堆中

调用 intern() 方法，则主动将字符串对象存入字符串常量池中，并将其地址返回

@Test
    public void test2(){
        String s1 = "javaEE";
        String s2 = "hadoop";

        String s3 = "javaEEhadoop";
        String s4 = "javaEE" + "hadoop";//编译期优化
        //如果拼接符号的前后出现了变量，则相当于在堆空间中new String()，具体的内容为拼接的结果：javaEEhadoop
        String s5 = s1 + "hadoop";
        String s6 = "javaEE" + s2;
        String s7 = s1 + s2;

        System.out.println(s3 == s4);//true
        System.out.println(s3 == s5);//false
        System.out.println(s3 == s6);//false
        System.out.println(s3 == s7);//false
        System.out.println(s5 == s6);//false
        System.out.println(s5 == s7);//false
        System.out.println(s6 == s7);//false
        //intern():判断字符串常量池中是否存在javaEEhadoop值，如果存在，则返回常量池中javaEEhadoop的地址；
        //如果字符串常量池中不存在javaEEhadoop，则在常量池中加载一份javaEEhadoop，并返回次对象的地址。
        String s8 = s6.intern();
        System.out.println(s3 == s8);//true
    }

从字节码角度来看：拼接前后有变量，都会使用到 StringBuilder 类

0 ldc #6 <javaEE>
2 astore_1
3 ldc #7 <hadoop>
5 astore_2
6 ldc #8 <javaEEhadoop>
8 astore_3
9 ldc #8 <javaEEhadoop>
11 astore 4
13 new #9 <java/lang/StringBuilder>
16 dup
17 invokespecial #10 <java/lang/StringBuilder.<init>>
20 aload_1
21 invokevirtual #11 <java/lang/StringBuilder.append>
24 ldc #7 <hadoop>
26 invokevirtual #11 <java/lang/StringBuilder.append>
29 invokevirtual #12 <java/lang/StringBuilder.toString>
32 astore 5
34 new #9 <java/lang/StringBuilder>
37 dup
38 invokespecial #10 <java/lang/StringBuilder.<init>>
41 ldc #6 <javaEE>
43 invokevirtual #11 <java/lang/StringBuilder.append>
46 aload_2
47 invokevirtual #11 <java/lang/StringBuilder.append>
50 invokevirtual #12 <java/lang/StringBuilder.toString>
53 astore 6
55 new #9 <java/lang/StringBuilder>
58 dup
59 invokespecial #10 <java/lang/StringBuilder.<init>>
62 aload_1
63 invokevirtual #11 <java/lang/StringBuilder.append>
66 aload_2
67 invokevirtual #11 <java/lang/StringBuilder.append>
70 invokevirtual #12 <java/lang/StringBuilder.toString>
73 astore 7
75 getstatic #3 <java/lang/System.out>
78 aload_3
79 aload 4
81 if_acmpne 88 (+7)
84 iconst_1
85 goto 89 (+4)
88 iconst_0
89 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
92 getstatic #3 <java/lang/System.out>
95 aload_3
96 aload 5
98 if_acmpne 105 (+7)
101 iconst_1
102 goto 106 (+4)
105 iconst_0
106 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
109 getstatic #3 <java/lang/System.out>
112 aload_3
113 aload 6
115 if_acmpne 122 (+7)
118 iconst_1
119 goto 123 (+4)
122 iconst_0
123 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
126 getstatic #3 <java/lang/System.out>
129 aload_3
130 aload 7
132 if_acmpne 139 (+7)
135 iconst_1
136 goto 140 (+4)
139 iconst_0
140 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
143 getstatic #3 <java/lang/System.out>
146 aload 5
148 aload 6
150 if_acmpne 157 (+7)
153 iconst_1
154 goto 158 (+4)
157 iconst_0
158 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
161 getstatic #3 <java/lang/System.out>
164 aload 5
166 aload 7
168 if_acmpne 175 (+7)
171 iconst_1
172 goto 176 (+4)
175 iconst_0
176 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
179 getstatic #3 <java/lang/System.out>
182 aload 6
184 aload 7
186 if_acmpne 193 (+7)
189 iconst_1
190 goto 194 (+4)
193 iconst_0
194 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
197 aload 6
199 invokevirtual #13 <java/lang/String.intern>
202 astore 8
204 getstatic #3 <java/lang/System.out>
207 aload_3
208 aload 8
210 if_acmpne 217 (+7)
213 iconst_1
214 goto 218 (+4)
217 iconst_0
218 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
221 return

字符串拼接的底层细节

举例1

@Test
public void test3(){
    String s1 = "a";
    String s2 = "b";
    String s3 = "ab";
    /*
    如下的s1 + s2 的执行细节：(变量s是我临时定义的）
    ① StringBuilder s = new StringBuilder();
    ② s.append("a")
    ③ s.append("b")
    ④ s.toString()  --> 约等于 new String("ab")，但不等价

    补充：在jdk5.0之后使用的是StringBuilder,在jdk5.0之前使用的是StringBuffer
     */
    String s4 = s1 + s2;//
    System.out.println(s3 == s4);//false
}

字节码指令

0 ldc #14 <a>
2 astore_1
3 ldc #15 <b>
5 astore_2
6 ldc #16 <ab>
8 astore_3
9 new #9 <java/lang/StringBuilder>
12 dup
13 invokespecial #10 <java/lang/StringBuilder.<init>>
16 aload_1
17 invokevirtual #11 <java/lang/StringBuilder.append>
20 aload_2
21 invokevirtual #11 <java/lang/StringBuilder.append>
24 invokevirtual #12 <java/lang/StringBuilder.toString>
27 astore 4
29 getstatic #3 <java/lang/System.out>
32 aload_3
33 aload 4
35 if_acmpne 42 (+7)
38 iconst_1
39 goto 43 (+4)
42 iconst_0
43 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
46 return

举例2

/*
    1. 字符串拼接操作不一定使用的是StringBuilder!
       如果拼接符号左右两边都是字符串常量或常量引用，则仍然使用编译期优化，即非StringBuilder的方式。
    2. 针对于final修饰类、方法、基本数据类型、引用数据类型的量的结构时，能使用上final的时候建议使用上。
     */
    @Test
    public void test4(){
        final String s1 = "a";
        final String s2 = "b";
        String s3 = "ab";
        String s4 = s1 + s2;
        System.out.println(s3 == s4);//true
    }

从字节码角度来看：为变量 s4 赋值时，直接使用 #16 符号引用，即字符串常量 “ab”

0 ldc #14 <a>
2 astore_1
3 ldc #15 <b>
5 astore_2
6 ldc #16 <ab>
8 astore_3
9 ldc #16 <ab>
11 astore 4
13 getstatic #3 <java/lang/System.out>
16 aload_3
17 aload 4
19 if_acmpne 26 (+7)
22 iconst_1
23 goto 27 (+4)
26 iconst_0
27 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
30 return

拼接操作与 append 操作的效率对比

    @Test
    public void test6(){

        long start = System.currentTimeMillis();

//        method1(100000);//4014
        method2(100000);//7

        long end = System.currentTimeMillis();

        System.out.println("花费的时间为：" + (end - start));
    }

    public void method1(int highLevel){
        String src = "";
        for(int i = 0;i < highLevel;i++){
            src = src + "a";//每次循环都会创建一个StringBuilder、String
        }
//        System.out.println(src);

    }

    public void method2(int highLevel){
        //只需要创建一个StringBuilder
        StringBuilder src = new StringBuilder();
        for (int i = 0; i < highLevel; i++) {
            src.append("a");
        }
//        System.out.println(src);
    }

体会执行效率：通过StringBuilder的append()的方式添加字符串的效率要远高于使用String的字符串拼接方式！
原因：
1. StringBuilder的append()的方式：

- - 自始至终中只创建过一个StringBuilder的对象

1. 使用String的字符串拼接方式：

- - 创建过多个StringBuilder和String（调的toString方法）的对象，内存占用更大；
    - 如果进行GC，需要花费额外的时间（在拼接的过程中产生的一些中间字符串可能永远也用不到，会产生大量垃圾字符串）。

改进的空间：

- 在实际开发中，如果基本确定要前前后后添加的字符串长度不高于某个限定值highLevel的情况下，建议使用构造器实例化：
  - StringBuilder s = new StringBuilder(highLevel); //new char[highLevel]
  - 这样可以避免频繁扩容

intern() 的使用

intern() 方法的说明

public native String intern();

intern是一个native方法，调用的是底层C的方法
字符串常量池池最初是空的，由String类私有地维护。在调用intern方法时，如果池中已经包含了由equals(object)方法确定的与该字符串内容相等的字符串，则返回池中的字符串地址。否则，该字符串对象将被添加到池中，并返回对该字符串对象的地址。（这是源码里的大概翻译）
如果不是用双引号声明的String对象，可以使用String提供的intern方法：intern方法会从字符串常量池中查询当前字符串是否存在，若不存在就会将当前字符串放入常量池中。比如：

String myInfo = new string("I love atguigu").intern();

\4. 也就是说，如果在任意字符串上调用String.intern方法，那么其返回结果所指向的那个类实例，必须和直接以常量形式出现的字符串实例完全相同。因此，下列表达式的值必定是true

("a"+"b"+"c").intern()=="abc"

5.通俗点讲，Interned String就是确保字符串在内存里只有一份拷贝，这样可以节约内存空间，加快字符串操作任务的执行速度。注意，这个值会被存放在字符串内部池（String Intern Pool）

new String() 的说明

new String(“ab”)会创建几个对象？

/**
 * 题目：
 * new String("ab")会创建几个对象？看字节码，就知道是两个。
 *     一个对象是：new关键字在堆空间创建的
 *     另一个对象是：字符串常量池中的对象"ab"。 字节码指令：ldc
 *
 */
public class StringNewTest {
    public static void main(String[] args) {
        String str = new String("ab");
    }
}

JAV字节码指令

0 new #2 <java/lang/String>
3 dup
4 ldc #3 <ab>
6 invokespecial #4 <java/lang/String.<init>>
9 astore_1
10 return

0 new #2 <java/lang/String>：在堆中创建了一个 String 对象

4 ldc #3 ：在字符串常量池中放入 “ab”（如果之前字符串常量池中没有 “ab” 的话）

new String(“a”) + new String(“b”) 会创建几个对象？

代码

/**
 * 思考：
 * new String("a") + new String("b")呢？
 *  对象1：new StringBuilder()
 *  对象2： new String("a")
 *  对象3： 常量池中的"a"
 *  对象4： new String("b")
 *  对象5： 常量池中的"b"
 *
 *  深入剖析： StringBuilder的toString():
 *      对象6 ：new String("ab")
 *       强调一下，toString()的调用，在字符串常量池中，没有生成"ab"
 *
 */
public class StringNewTest {
    public static void main(String[] args) {

        String str = new String("a") + new String("b");
    }
}

```A`字节码指令

0 new #2 <java/lang/StringBuilder>
3 dup
4 invokespecial #3 <java/lang/StringBuilder.<init>>
7 new #4 <java/lang/String>
10 dup
11 ldc #5 <a>
13 invokespecial #6 <java/lang/String.<init>>
16 invokevirtual #7 <java/lang/StringBuilder.append>
19 new #4 <java/lang/String>
22 dup
23 ldc #8 <b>
25 invokespecial #6 <java/lang/String.<init>>
28 invokevirtual #7 <java/lang/StringBuilder.append>
31 invokevirtual #9 <java/lang/StringBuilder.toString>
34 astore_1
35 return

````****答案是4个或5个或6个

字节码指令分析：