JVM（六）内存与圾回收|本地方法接口+字符串常量池

  本文介绍JVM的本地方法接口和字符串常量池。
  字符串常量池在前文内存与垃圾回收|运行时数据区（下）中也有提到，但因其在开发中的使用非常频繁，所以单独来讲。

目录
 1 本地方法接口
  1.1 本地方法（Native Method）
  1.2 为什么要使用Native Method
  1.3 现状
 2 字符串常量池（StringTable）
  2.1 2.1 基本特性
    2.1.1 String的不可变性
    2.1.2 字符串常量池
  2.2 String的内存分配
  2.3 字符串拼接操作
  2.4 intern()的使用
    2.4.1 intern()效率测试
  2.5 StrtingTable的垃圾回收
  2.6 G1中的String去重操作

1 本地方法接口

1.1 本地方法（Native Method）

  简单来讲，一个Native Method就是一个java调用非java代码的接口，一个Native Method 是这样一个java方法：该方法的实现由非Java语言实现，比如C。这个特征并非java特有，很多其他的编程语言都有这一机制，比如在C++ 中，你可以用extern “C” 告知C++ 编译器去调用一个C的函数。
  在定义一个native method时，并不提供实现体（有些像定义一个Java interface），因为其实现体是由非java语言在外面实现的。
  本地接口的作用是融合不同的编程语言为java所用，它的初衷是融合C/C++程序。

/**
 * 本地方法 example 01
 */
public  class IHaveNatives {

    //abstract 没有方法体
    public abstract void abstractMethod(int x);

    //native是有方法体的，但由其他语言来实现
    //native 和 abstract不能共存
    public native void Native1(int x);

    native static public long Native2();

    native synchronized private float Native3(Object o);

    native void Native4(int[] array) throws Exception;
}

1.2 为什么要使用Native Method

java使用起来非常方便，然而有些层次的任务用java实现起来不容易，或者我们对程序的效率很在意时，问题就来了。

  • 与java环境外交互：
      有时java应用需要与java外面的环境交互，这是本地方法存在的主要原因。你可以想想java需要与一些底层系统，如擦偶偶系统或某些硬件交换信息时的情况。本地方法正式这样的一种交流机制：它为我们提供了一个非常简洁的接口，而且我们无需去了解java应用之外的繁琐细节。
  • 与操作系统交互
      JVM支持着java语言本身和运行库，它是java程序赖以生存的平台，它由一个解释器（解释字节码）和一些连接到本地代码的库组成。然而不管怎样，它毕竟不是一个完整的系统，它经常依赖于一些底层系统的支持。这些底层系统常常是强大的操作系统。通过使用本地方法，我们得以用java实现了jre的与底层系统的交互，甚至jvm的一些部分就是用C写的。还有，如果我们要使用一些java语言本身没有提供封装的操作系统特性时，我们也需要使用本地方法。
  • Sun’s Java
      Sun的解释器是用C实现的，这使得它能像一些普通的C一样与外部交互。jre大部分是用java实现的，它也通过一些本地方法与外界交互。例如：类java.lang.Thread的setPriority()方法是用Java实现的，但是它实现调用的事该类里的本地方法setPriority0（）。这个本地方法是用C实现的，并被植入JVM内部，在Windows 95的平台上，这个本地方法最终将调用Win32 SetProority（）API。这是一个本地方法的具体实现由JVM直接提供，更多的情况是本地方法由外部的动态链接库（external dynamic link library）提供，然后被JVM调用。

1.3 现状

  目前该方法的是用越来越少了，除非是与硬件有关的应用，比如通过java程序驱动打印机或者java系统管理生产设备，在企业级应用已经比较少见。因为现在的异构领域间的通信很发达，比如可以使用Socket通信，也可以是用Web Service等等，不多做介绍。

2 字符串常量池（StringTable）

String基本概念

2.1 基本特性

2.1.1 String的不可变性

  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。
/**
 * String的基本使用:体现String的不可变性 example02
 */
public class StringTest1 {
    @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s1和s2地址： false

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

    }

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

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

/**
 * example03  string的不可变性
 */
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
    }
}

  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。

2.1.2 字符串常量池

  字符串常量池中是不会存储相同内容的字符串的。

  • String的String Pool(又StringTable) 是一个固定大小的Hashtable，默认值大小长度是1009。如果放进StringPool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
  • jdk8开始,1009是StringTable长度可设置的最小值

2.2 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。如： String info = "abc" ；
    • 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。
/**
 * example04 字面量方式声明的String会存储在常量池中
 */
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
}
  • Java 6及以前，字符串常量池存放在永久代。
  • Java 7及以后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。

StringTable为什么要调整
①永久代permSize默认比较小;
②永久代的垃圾回收频率低;

2.3 字符串拼接操作

  • 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常量。
  • 只要其中有一个是变量，相当于new String对象，结果在堆中但不在常量池中。变量拼接的原理是StringBuilder
  • 如果拼接的结果调用intern（）方法，则主动将常量池中还没有的字符串对象放入池中，并返回此对象地址。
/**
 * example 05 字符串拼接操作 
 */
 @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
        /*
         *.java编译成.class的结果
         * String s1 = "abc";
         * String s2 = "abc"
         */
        System.out.println(s1 == s2); //true（比较地址）
        System.out.println(s1.equals(s2)); //true
    }

    @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
    }

    @Test
    public void test3(){
        String s1 = "a";
        String s2 = "b";
        String s3 = "ab";
        /*
        如下的s1 + s2 的执行细节：
        ① StringBuilder s = new StringBuilder();
        ② s.append("a")
        ③ s.append("b")
        ④ s.toString()  --> 约等于 new String("ab")

        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
    }

    /*
    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
    }
    
    //练习：
    @Test
    public void test5(){
        String s1 = "javaEEhadoop";
        String s2 = "javaEE";
        String s3 = s2 + "hadoop";
        System.out.println(s1 == s3);//false

        final String s4 = "javaEE";//s4:常量
        String s5 = s4 + "hadoop";
        System.out.println(s1 == s5);//true
    }

2.4 intern()的使用

  • 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。如：
String myInfo = new String("u").intern()；
  • 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";

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）。

下面有几个经典题目：
①new String("ab")会创建几个对象？

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"。

字节码的角度查看创建的对象数

②new 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"
* 对象6 ：new String("ab")

字节码的角度查看创建的对象数

在字符串常量池中，没有生成"ab"，是因为toString()的调用，在字符串常量池中，没有生成"ab"
③关于String.intern()的面试题

//examp 06
public class StringIntern {
    public static void main(String[] args) {
        String s = new String("1");
        String s1 = s.intern();//调用此方法之前，字符串常量池中已经存在了"1"
        String s2 = "1";
        //s  指向堆空间"1"的内存地址
        //s1 指向字符串常量池中"1"的内存地址
        //s2 指向字符串常量池已存在的"1"的内存地址  所以 s1==s2
        System.out.println(s == s2);//jdk6：false   jdk7/8：false
        System.out.println(s1 == s2);//jdk6: true   jdk7/8：true
       

        //s3变量记录的地址为：new String("11")
        String s3 = new String("1") + new String("1");
        //执行完上一行代码以后，字符串常量池中，不存在"11"！！(上一题中已知)

        //在字符串常量池中生成"11"。
        //如何理解：jdk6:创建了一个新的对象"11",也就有新的地址。
        //         jdk7:此时常量中并没有创建"11",而是创建一个指向堆空间中new String("11")的地址
        s3.intern();

        //s4变量记录的地址：使用的是上一行代码代码执行时，在常量池中生成的"11"的地址
        String s4 = "11";
        System.out.println(s3 == s4);//jdk6：false  jdk7/8：true
    }
}

④上题拓展

//examp 07
public class StringIntern1 {
    public static void main(String[] args) {
        //StringIntern.java中练习的拓展：
        String s3 = new String("1") + new String("1");//new String("11")
        //执行完上一行代码以后，字符串常量池中，是否存在"11"呢？答案：不存在！！
        String s4 = "11";//在字符串常量池中生成对象"11"
        String s5 = s3.intern();
        System.out.println(s3 == s4);//false
        System.out.println(s5 == s4);//true
    }
}

总结String的intern（）的使用

  • jdk1.6中，将这个字符串对象尝试放入串池。
    ➢ 如果字符串常量池中有，则并不会放入。返回已有的串池中的对象的地址
    ➢ 如果没有，会把此对象复制一份，放入串池，并返回串池中的对象地址
  • Jdk1.7起，将这个字符串对象尝试放入串池。
    ➢ 如果字符串常量池中有，则并不会放入。返回已有的串池中的对象的地址
    ➢ 如果没有，则会把对象的引用地址复制一份，放入串池，并返回串池中的引用地址

2.4.1 intern()效率测试

  大的网站平台，需要内存中存储大量的字符串。比如社交网站，很多人都存储：北京市、海淀区等信息。这时候如果字符串都调用 intern（）方法，就会明显降低内存的大小。

/**
 * 使用intern()测试执行效率：空间使用上
 * examp 08
 * 结论：对于程序中大量存在存在的字符串，尤其其中存在很多重复字符串时，使用intern()可以节省内存空间。
 *
 */
public class StringIntern2 {
    static final int MAX_COUNT = 1000 * 10000;
    static final String[] arr = new String[MAX_COUNT];

    public static void main(String[] args) {
        Integer[] data = new Integer[]{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};

        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < MAX_COUNT; i++) {
//            arr[i] = new String(String.valueOf(data[i % data.length]));
            arr[i] = new String(String.valueOf(data[i % data.length])).intern();

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

        try {
            Thread.sleep(1000000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.gc();
    }
}

2.5 StrtingTable的垃圾回收

/**
 * String的垃圾回收: example 09
 * -Xms15m -Xmx15m -XX:+PrintStringTableStatistics -XX:+PrintGCDetails
 *
 */
public class StringGCTest {
    public static void main(String[] args) {
//        for (int j = 0; j < 100; j++) {
//            String.valueOf(j).intern();
//        }
        //发生垃圾回收行为
        for (int j = 0; j < 100000; j++) {
            String.valueOf(j).intern();
        }
    }
}

2.6 G1中的String去重操作

  • 背景: 对许多Java应用（有大的也有小的）做的测试得出以下结果：

    • 堆存活数据集合里面String对象占了25%
    • 堆存活数据集合里面重复(string1.equals(string2)=true)的String对象有13.5%
    • String对象的平均长度是45

  • 实现：在G1垃圾收集器中实现自动持续对重复的String对象进行去重，这样就能避免浪费内存。

    • 当垃圾收集器工作的时候，会访问堆上存活的对象。对每一个访问的对象都会检查是否是候选的要去重的String对象。
    • 如果是，把这个对象的一个引用插入到队列中等待后续的处理。一个去重的线程在后台运行，处理这个队列。处理队列的一个元素意味着从队列删除这个元素，然后尝试去重它引用的String对象。
    • 使用一个hashtable来记录所有的被String对象使用的不重复的char数组。
      当去重的时候，会查这个hashtable，来看堆上是否已经存在一个一模一样的char数组。
    • 如果存在，String对象会被调整引用那个数组，释放对原来的数组的引用，最终会被垃圾收集器回收掉。
    • 如果查找失败，char数组会被插入到hashtable，这样以后的时候就可以共享这个数组了。

  • 命令行选项

    • UseStringDeduplication(bool) ：开启String去重，默认是不开启的，需要手动开启。
    • PrintStringDedupl icationStatistics(bool) ：打印详细的去重统计信息，
    • StringDedupl icationAgeThreshold (uintx) ：达到这个年龄的string对象被认.为是去重的候选对象
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