深入淺析Java中的String類-創(chuàng)新互聯(lián)

這期內(nèi)容當(dāng)中小編將會給大家?guī)碛嘘P(guān)深入淺析Java中的String類，文章內(nèi)容豐富且以專業(yè)的角度為大家分析和敘述，閱讀完這篇文章希望大家可以有所收獲。

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引題

在Java語言的所有數(shù)據(jù)類型中，String類型是比較特殊的一種類型，同時也是面試的時候經(jīng)常被問到的一個知識點，本文結(jié)合Java內(nèi)存分配深度分析關(guān)于String的許多令人迷惑的問題。下面是本文將要涉及到的一些問題，如果讀者對這些問題都了如指掌，則可忽略此文。

    1、Java內(nèi)存具體指哪塊內(nèi)存？這塊內(nèi)存區(qū)域為什么要進(jìn)行劃分？是如何劃分的？劃分之后每塊區(qū)域的作用是什么？如何設(shè)置各個區(qū)域的大?。?/p>

    2、String類型在執(zhí)行連接操作時，效率為什么會比StringBuffer或者StringBuilder低？StringBuffer和StringBuilder有什么聯(lián)系和區(qū)別？

    3、Java中常量是指什么？String s = "s" 和 String s = new String("s") 有什么不一樣？

    本文經(jīng)多方資料的收集整理和歸納，最終撰寫成文，如果有錯誤之處，請多多指教！

Java內(nèi)存分配

    1、JVM簡介

      Java虛擬機(jī)（Java Virtual Machine 簡稱JVM）是運行所有Java程序的抽象計算機(jī)，是Java語言的運行環(huán)境，它是Java 最具吸引力的特性之一。Java虛擬機(jī)有自己完善的硬體架構(gòu)，如處理器、堆棧、寄存器等，還具有相應(yīng)的指令系統(tǒng)。JVM屏蔽了與具體操作系統(tǒng)平臺相關(guān)的信息，使得Java程序只需生成在Java虛擬機(jī)上運行的目標(biāo)代碼（字節(jié)碼），就可以在多種平臺上不加修改地運行。

            一個運行時的Java虛擬機(jī)實例的天職是：負(fù)責(zé)運行一個java程序。當(dāng)啟動一個Java程序時，一個虛擬機(jī)實例也就誕生了。當(dāng)該程序關(guān)閉退出，這個虛擬機(jī)實例也就隨之消亡。如果同一臺計算機(jī)上同時運行三個Java程序，將得到三個Java虛擬機(jī)實例。每個Java程序都運行于它自己的Java虛擬機(jī)實例中。

        如下圖所示，JVM的體系結(jié)構(gòu)包含幾個主要的子系統(tǒng)和內(nèi)存區(qū)：

             垃圾回收器（Garbage Collection）：負(fù)責(zé)回收堆內(nèi)存（Heap）中沒有被使用的對象，即這些對象已經(jīng)沒有被引用了。

             類裝載子系統(tǒng)（Classloader Sub-System）：除了要定位和導(dǎo)入二進(jìn)制class文件外，還必須負(fù)責(zé)驗證被導(dǎo)入類的正確性，為類變量分配并初始化內(nèi)存，以及幫助解析符號引用。

             執(zhí)行引擎（Execution Engine）：負(fù)責(zé)執(zhí)行那些包含在被裝載類的方法中的指令。

             運行時數(shù)據(jù)區(qū)（Java Memory Allocation Area）：又叫虛擬機(jī)內(nèi)存或者Java內(nèi)存，虛擬機(jī)運行時需要從整個計算機(jī)內(nèi)存劃分一塊內(nèi)存區(qū)域存儲許多東西。例如：字節(jié)碼、從已裝載的class文件中得到的其他信息、程序創(chuàng)建的對象、傳遞給方法的參數(shù)，返回值、局部變量等等。

    2、Java內(nèi)存分區(qū)

      從上節(jié)知道，運行時數(shù)據(jù)區(qū)即是java內(nèi)存，而且數(shù)據(jù)區(qū)要存儲的東西比較多，如果不對這塊內(nèi)存區(qū)域進(jìn)行劃分管理，會顯得比較雜亂無章。程序喜歡有規(guī)律的東西，最討厭雜亂無章的東西。 根據(jù)存儲數(shù)據(jù)的不同，java內(nèi)存通常被劃分為5個區(qū)域：程序計數(shù)器（Program Count Register）、本地方法棧（Native Stack）、方法區(qū)（Methon Area）、棧（Stack）、堆（Heap）。

      程序計數(shù)器（Program Count Register）：又叫程序寄存器。JVM支持多個線程同時運行，當(dāng)每一個新線程被創(chuàng)建時，它都將得到它自己的PC寄存器（程序計數(shù)器）。如果線程正在執(zhí)行的是一個Java方法（非native），那么PC寄存器的值將總是指向下一條將被執(zhí)行的指令，如果方法是 native的，程序計數(shù)器寄存器的值不會被定義。 JVM的程序計數(shù)器寄存器的寬度足夠保證可以持有一個返回地址或者native的指針。            

     棧（Stack）：又叫堆棧。JVM為每個新創(chuàng)建的線程都分配一個棧。也就是說,對于一個Java程序來說，它的運行就是通過對棧的操作來完成的。棧以幀為單位保存線程的狀態(tài)。JVM對棧只進(jìn)行兩種操作：以幀為單位的壓棧和出棧操作。我們知道,某個線程正在執(zhí)行的方法稱為此線程的當(dāng)前方法。我們可能不知道，當(dāng)前方法使用的幀稱為當(dāng)前幀。當(dāng)線程激活一個Java方法，JVM就會在線程的 Java堆棧里新壓入一個幀，這個幀自然成為了當(dāng)前幀。在此方法執(zhí)行期間，這個幀將用來保存參數(shù)、局部變量、中間計算過程和其他數(shù)據(jù)。從Java的這種分配機(jī)制來看,堆棧又可以這樣理解：棧(Stack)是操作系統(tǒng)在建立某個進(jìn)程時或者線程(在支持多線程的操作系統(tǒng)中是線程)為這個線程建立的存儲區(qū)域，該區(qū)域具有先進(jìn)后出的特性。其相關(guān)設(shè)置參數(shù)：

• -Xss --設(shè)置方法棧的大值

          本地方法棧（Native Stack）：存儲本地方方法的調(diào)用狀態(tài)。 

          方法區(qū)（Method Area）：當(dāng)虛擬機(jī)裝載一個class文件時，它會從這個class文件包含的二進(jìn)制數(shù)據(jù)中解析類型信息，然后把這些類型信息（包括類信息、常量、靜態(tài)變量等）放到方法區(qū)中，該內(nèi)存區(qū)域被所有線程共享，如下圖所示。本地方法區(qū)存在一塊特殊的內(nèi)存區(qū)域，叫常量池（Constant Pool），這塊內(nèi)存將與String類型的分析密切相關(guān)。

          堆（Heap）：Java堆（Java Heap）是Java虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存中大的一塊。Java堆是被所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域。在此區(qū)域的唯一目的就是存放對象實例，幾乎所有的對象實例都是在這里分配內(nèi)存，但是這個對象的引用卻是在棧（Stack）中分配。因此，執(zhí)行String s = new String("s")時，需要從兩個地方分配內(nèi)存：在堆中為String對象分配內(nèi)存，
在棧中為引用（這個堆對象的內(nèi)存地址，即指針）分配內(nèi)存，如下圖所示。

            JAVA虛擬機(jī)有一條在堆中分配新對象的指令，卻沒有釋放內(nèi)存的指令，正如你無法用Java代碼區(qū)明確釋放一個對象一樣。虛擬機(jī)自己負(fù)責(zé)決定如何以及何時釋放不再被運行的程序引用的對象所占據(jù)的內(nèi)存，通常，虛擬機(jī)把這個任務(wù)交給垃圾收集器（Garbage Collection）。其相關(guān)設(shè)置參數(shù)：

• -Xms -- 設(shè)置堆內(nèi)存初始大小

• -Xmx -- 設(shè)置堆內(nèi)存大值

• -XX:MaxTenuringThreshold -- 設(shè)置對象在新生代中存活的次數(shù)

• -XX:PretenureSizeThreshold -- 設(shè)置超過指定大小的大對象直接分配在舊生代中

        Java堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，因此又稱為“GC 堆”（Garbage Collectioned Heap）?，F(xiàn)在的垃圾收集器基本都是采用的分代收集算法，所以Java堆還可以細(xì)分為：新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation），如下圖所示。分代收集算法的思想：第一種說法，用較高的頻率對年輕的對象(young generation)進(jìn)行掃描和回收，這種叫做minor collection，而對老對象(old generation)的檢查回收頻率要低很多，稱為major collection。這樣就不需要每次GC都將內(nèi)存中所有對象都檢查一遍，以便讓出更多的系統(tǒng)資源供應(yīng)用系統(tǒng)使用；另一種說法，在分配對象遇到內(nèi)存不足時，先對新生代進(jìn)行GC（Young GC）；當(dāng)新生代GC之后仍無法滿足內(nèi)存空間分配需求時， 才會對整個堆空間以及方法區(qū)進(jìn)行GC（Full GC）。

        在這里可能會有讀者表示疑問：記得還有一個什么永久代（Permanent Generation）的啊，難道它不屬于Java堆？親，你答對了！其實傳說中的永久代就是上面所說的方法區(qū)，存放的都是jvm初始化時加載器加載的一些類型信息（包括類信息、常量、靜態(tài)變量等），這些信息的生存周期比較長，GC不會在主程序運行期對PermGen Space進(jìn)行清理，所以如果你的應(yīng)用中有很多CLASS的話,就很可能出現(xiàn)PermGen Space錯誤。其相關(guān)設(shè)置參數(shù)：

• -XX:PermSize --設(shè)置Perm區(qū)的初始大小

• -XX:MaxPermSize --設(shè)置Perm區(qū)的大值

         新生代（Young Generation）又分為：Eden區(qū)和Survivor區(qū)，Survivor區(qū)有分為From Space和To Space。Eden區(qū)是對象最初分配到的地方；默認(rèn)情況下，F(xiàn)rom Space和To Space的區(qū)域大小相等。JVM進(jìn)行Minor GC時，將Eden中還存活的對象拷貝到Survivor區(qū)中，還會將Survivor區(qū)中還存活的對象拷貝到Tenured區(qū)中。在這種GC模式下，JVM為了提升GC效率， 將Survivor區(qū)分為From Space和To Space，這樣就可以將對象回收和對象晉升分離開來。新生代的大小設(shè)置有2個相關(guān)參數(shù)：

• -Xmn -- 設(shè)置新生代內(nèi)存大小。

• -XX:SurvivorRatio -- 設(shè)置Eden與Survivor空間的大小比例

            老年代（Old Generation）： 當(dāng) OLD 區(qū)空間不夠時， JVM 會在 OLD 區(qū)進(jìn)行 major collection ；完全垃圾收集后，若Survivor及OLD區(qū)仍然無法存放從Eden復(fù)制過來的部分對象，導(dǎo)致JVM無法在Eden區(qū)為新對象創(chuàng)建內(nèi)存區(qū)域，則出現(xiàn)"Out of memory錯誤"  。

三、String類型的深度解析

    讓我們從Java數(shù)據(jù)類型開始說起吧！Java數(shù)據(jù)類型通常（分類方法多種多樣）從整體上可以分為兩大類：基礎(chǔ)類型和引用類型，基礎(chǔ)類型的變量持有原始值，引用類型的變量通常表示的是對實際對象的引用，其值通常為對象的內(nèi)存地址。     

    1、String的本質(zhì)

           打開String的源碼，類注釋中有這么一段話“Strings are constant; their values cannot be changed after they are created. String buffers support mutable strings.Because String objects are immutable they can be shared.”。這句話總結(jié)歸納了String的一個最重要的特點：String是值不可變(immutable)的常量，是線程安全的(can be shared)。

       接下來，String類使用了final修飾符，表明了String類的第二個特點：String類是不可繼承的。

       下面是String類的成員變量定義，從類的實現(xiàn)上闡明了String值是不可變的(immutable)。   

 private final char value[];
  private final int count;

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