Java培訓(xùn)：String類(lèi)的底層原理和版本演變

　　1 String類(lèi)的底層演變

　?。?） JDK8以及之前版本 

       （2）JDK9以及之后版本 

　　```java

　　JDK8的字符串存儲(chǔ)在char類(lèi)型的數(shù)組里面，在java中，一個(gè)char類(lèi)型占兩個(gè)字節(jié)。但是很多時(shí)候，一個(gè)字符只需要一個(gè)字節(jié)就可存儲(chǔ)，比如各種字母什么的，兩個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)勢(shì)必會(huì)浪費(fèi)空間，JDK9的一個(gè)優(yōu)化就在這，內(nèi)存的優(yōu)化，所以JDK9之后字符串改成byte類(lèi)型數(shù)組進(jìn)行存儲(chǔ)。

　　private final byte coder;

　　在JDK9的String類(lèi)中，新增了一個(gè)屬性coder，它是一個(gè)編碼格式的標(biāo)識(shí)，使用LATIN1還是UTF16，這個(gè)是在String生成的時(shí)候自動(dòng)確定的，如果字符串中都是能用LATIN1編碼表示，那coder的值就是0，否則就是UTF16編碼，coder的值就是1。

　　可以看到JDK9在這方面的優(yōu)化，在較多情況下不包含那些奇奇怪怪的字符的時(shí)候，足以應(yīng)付，而這個(gè)空間卻小了1byte，實(shí)現(xiàn)了String空間的壓縮。

　　2 String常量池的演變

　　2.1 StringTable變化

String 的 String Pool是一個(gè)固定大小的 Hashtable。
   
    在jdk6中，StringTable的長(zhǎng)度固定為1009。
    如果放進(jìn) String Pool的String非常多，就會(huì)造成Hash沖突嚴(yán)重，從而導(dǎo)致鏈表會(huì)很長(zhǎng)，而鏈表長(zhǎng)了后直接會(huì)造成的影響就是當(dāng)調(diào)用 intern() 時(shí)性能會(huì)大幅下降。
   
    從jdk7起，StringTable的長(zhǎng)度默認(rèn)值是60013。
   
    使用-XX:StringTableSize可設(shè)置StringTable的長(zhǎng)度。    
    在jdk8之前，對(duì)StringTableSize的設(shè)置沒(méi)有最小限制。
    jdk8開(kāi)始，StringTable可設(shè)置的最小值是1009。
       

驗(yàn)證：
    通過(guò) jps 命令查看進(jìn)程號(hào)
    使用 jinfo -flag StringTableSize 進(jìn)程號(hào) 查看StringTable大小    
```

　　2.2 內(nèi)存位置變化

Java6及以前，字符串常量池存放在永久代。
   
Java7開(kāi)始，字符串常量池的位置調(diào)整到Java堆內(nèi)。
所有的字符串都保存在堆（Heap）中，和其他普通對(duì)象一樣，這樣在進(jìn)行調(diào)優(yōu)應(yīng)用時(shí)僅需要調(diào)整堆大小就可以了。
```

　　官網(wǎng)說(shuō)明

　　https://www.oracle.com/technetwork/java/javase/jdk7-relnotes-418459.html#jdk7changes

　　JDK6環(huán)境下測(cè)試：

/*
    jdk6中，修改JVM內(nèi)存大?。?
    -XX:PermSize=6m -XX:MaxPermSize=6m -Xms6m -Xmx6m
 */
public class StringTableTest {
    public static void main(String[] args) {
        Set<String> set = new HashSet<String>();

        int i=0;
        while (true){
            set.add(String.valueOf(i++).intern());
        }
    }
}

執(zhí)行結(jié)果異常信息：
    Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
    at java.lang.String.intern(Native Method)
```

　　JDK7環(huán)境下測(cè)試：

/*
    jdk7中，修改JVM內(nèi)存大?。?
    -XX:PermSize=6m -XX:MaxPermSize=6m -Xms6m -Xmx6m -XX:-UseGCOverheadLimit
 */
public class StringTableTest {
    public static void main(String[] args) {
        Set<String> set = new HashSet<String>();

        int i=0;
        while (true){
            set.add(String.valueOf(i++).intern());
        }
    }
}

執(zhí)行結(jié)果異常信息：
    Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at java.lang.Integer.toString(Integer.java:331)
    at java.lang.String.valueOf(String.java:2954)
    at StringTableTest.main(StringTableTest.java:14)
```

　　3 String的拼接原理

　　3.1 拼接原理

　　源代碼：

public static void main(String[] args) {
    String s1 ="hello";
    String s2 ="world";
    String s3 = s1+s2;
    System.out.println(s3);
}

```

　　使用 JDK8 編譯后字節(jié)碼：

0 ldc #2 <hello>
 2 astore_1
 3 ldc #3 <world>
 5 astore_2
 6 new #4 <java/lang/StringBuilder>
 9 dup
10 invokespecial #5 <java/lang/StringBuilder.<init>>
13 aload_1
14 invokevirtual #6 <java/lang/StringBuilder.append>
17 aload_2
18 invokevirtual #6 <java/lang/StringBuilder.append>
21 invokevirtual #7 <java/lang/StringBuilder.toString>
24 astore_3
25 getstatic #8 <java/lang/System.out>
28 aload_3
29 invokevirtual #9 <java/io/PrintStream.println>
32 return
```

　　使用 JDK9 編譯后字節(jié)碼：

0 ldc #2 <hello>
 2 astore_1
 3 ldc #3 <world>
 5 astore_2
 6 aload_1
 7 aload_2
 8 invokedynamic #4 <makeConcatWithConstants, BootstrapMethods #0>
13 astore_3
14 getstatic #5 <java/lang/System.out>
17 aload_3
18 invokevirtual #6 <java/io/PrintStream.println>
21 return
```

　　結(jié)論：

　　```java

　　JDK8及之前，字符串變量的拼接，底層使用的是StringBuilder對(duì)象，利用append方法進(jìn)行拼接。

　　(注：jdk1.4之前使用StringBuffer)

　　JDK9以后的編譯器已經(jīng)改成使用動(dòng)態(tài)指令invokedynamic，

　　調(diào)用StringConcatFactory.makeConcatWithConstants方法進(jìn)行字符串拼接優(yōu)化。

　　```

　　3.2 核心方法

makeConcatWithConstants方法在StringConcatFactory類(lèi)中定義。
       
    makeConcatWithConstants內(nèi)部調(diào)用了doStringConcat，
    而doStringConcat方法則調(diào)用了generate方法來(lái)生成MethodHandle；
    generate根據(jù)不同的STRATEGY來(lái)生成MethodHandle，這些STRATEGY（策略）有
        BC_SB（等價(jià)于JDK8的優(yōu)化方式）
        BC_SB_SIZED
        BC_SB_SIZED_EXACT
        MH_SB_SIZED
        MH_SB_SIZED_EXACT
        MH_INLINE_SIZED_EXACT（默認(rèn)）

    前五種策略本質(zhì)還是用StringBuilder的實(shí)現(xiàn)，而默認(rèn)的策略MH_INLINE_SIZED_EXACT是直接使用字節(jié)數(shù)組來(lái)操作，并且字節(jié)數(shù)組長(zhǎng)度預(yù)先計(jì)算好，可以減少字符串復(fù)制操作。
   
    可以通過(guò)添加JVM參數(shù)來(lái)改變默認(rèn)的策略，例如將策略改為BC_SB
        -Djava.lang.invoke.stringConcat=BC_SB
        -Djava.lang.invoke.stringConcat.debug=true

```

　　源碼：

　　==makeConcatWithConstants內(nèi)部調(diào)用了doStringConcat方法==

　　==doStringConcat方法則調(diào)用了generate方法來(lái)生成MethodHandle==

　　==generate根據(jù)不同的STRATEGY來(lái)生成MethodHandle==

　　==這些STRATEGY(策略)分別是==

private enum Strategy {
        /**
         * Bytecode generator, calling into {@link java.lang.StringBuilder}.
         */
        BC_SB,

        /**
         * Bytecode generator, calling into {@link java.lang.StringBuilder};
         * but trying to estimate the required storage.
         */
        BC_SB_SIZED,

        /**
         * Bytecode generator, calling into {@link java.lang.StringBuilder};
         * but computing the required storage exactly.
         */
        BC_SB_SIZED_EXACT,

        /**
         * MethodHandle-based generator, that in the end calls into {@link java.lang.StringBuilder}.
         * This strategy also tries to estimate the required storage.
         */
        MH_SB_SIZED,

        /**
         * MethodHandle-based generator, that in the end calls into {@link java.lang.StringBuilder}.
         * This strategy also estimate the required storage exactly.
         */
        MH_SB_SIZED_EXACT,

        /**
         * MethodHandle-based generator, that constructs its own byte[] array from
         * the arguments. It computes the required storage exactly.
         */
        MH_INLINE_SIZED_EXACT
    }
```

　　==默認(rèn)的策略MH_INLINE_SIZED_EXACT==

　　3.3 常見(jiàn)筆試題

/*
    產(chǎn)生2個(gè)字符串對(duì)象：字符串常量池中一個(gè)，堆內(nèi)存中一個(gè)。
*/
String s = new String("abc");



/*
    產(chǎn)生1個(gè)字符串對(duì)象：常量池中的"abc"。
    代碼在編譯階段會(huì)優(yōu)化為 String s = "abc";
*/
String s = "a"+"b"+"c";



/*
    5個(gè)字符串對(duì)象
    常量池："a"， "b"
    堆內(nèi)存：new方式的"a"，new方式的"b"，new方式的"ab"
    注意：常量池中不會(huì)產(chǎn)生"ab"
*/
String s = new String("a") + new String("b");



/*
jdk8及之前創(chuàng)建3個(gè)字符串對(duì)象：
    常量池: "c" , "ab"
    堆中: new "abc"

jdk9之后創(chuàng)建2個(gè)字符串對(duì)象：
    常量池： "c"
    堆中: new "abc"
*/
String s1 = "c";
String s2 = "a"+"b"+s1;

```

　　4 intern()方法的演變

　　4.1 intern()方法調(diào)用區(qū)別

public class StringDemo5 {
    public static void main(String[] args) {
        String s1 = new String("ab");
        String s2 = "ab";
        System.out.println(s1==s2); //fasle


        //intern()方法從常量池中取出"ab"對(duì)象
        String s1 = new String("ab").intern();
        String s2 = "ab";
        System.out.println(s1==s2); //true

         /*
            從常量池中取出和s1內(nèi)容相同的"ab"對(duì)象，此時(shí)常量池中沒(méi)有"ab"對(duì)象。

            如果常量池中沒(méi)有該字符串對(duì)象：
                jdk6及之前，intern()方法會(huì)創(chuàng)建新的字符串對(duì)象，放入常量池并返回新的地址。
                jdk7及之后，intern()方法會(huì)將調(diào)用者對(duì)象的地址放入常量池，并返回調(diào)用者對(duì)象地址。
         */
        String s1 = new String("a") + new String("b");
        s1.intern();
        String s2 = "ab";
        System.out.println(s1==s2); //jdk6 false;  jdk7之后true
    }

}
```

　　4.2 intern()方法總結(jié)

　　```java

　　intern()方法將這個(gè)字符串對(duì)象嘗試放入常量池中，并返回地址。

　　jdk1.6中：

　　如果池中有，則不會(huì)放入，返回已有的池中的對(duì)象的地址。

　　如果池中沒(méi)有，則把此對(duì)象重新創(chuàng)建一份，放入池中，并返回池中新的對(duì)象地址。

　　jdk1.7起：

　　如果池中有，則不會(huì)放入，返回已有的池中的對(duì)象的地址。

　　如果池中沒(méi)有，則把此對(duì)象的引用地址復(fù)制一份，放入池中，并返回池中的引用地址。

　　```