java 常量池详解

在 Java JVM（以 JDK 11 为例）中，常量池是优化内存使用和提高性能的重要机制。常量池主要包括静态常量池、运行时常量池、基础类型常量池和字符串常量池。以下将对这四种常量池进行详细整理和介绍。

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一 静态常量池（Static Constant Pool）

1.1 概述

静态常量池是指每个 .class 文件中包含的常量池部分，由 Java 编译器在编译时生成。它主要用于存储在编译期间已知的各种字面量和符号引用。

1.2 存储内容

1. 字面量（Literals）：
   • 数值字面量：如 int、long、float、double、char、boolean 的常量值。
   • 字符串字面量：如 "Hello World"。
2. 符号引用（Symbolic References）：
   • 类或接口的全限定名：如 java/lang/String。
   • 字段的名称和描述符：如 age 和 I（表示 int 类型）。
   • 方法的名称和描述符：如 main 和 ([Ljava/lang/String;)V。

1.3 特点

• 编译期生成：静态常量池在编译时就已经确定，并存储在 .class 文件中。
• 不可变性：一旦编译完成，静态常量池中的内容不可更改。
• 类级别：每个类文件对应一个静态常量池，多个类文件拥有各自独立的静态常量池。

1.4 示例

假设有如下 Java 类：

public class Example {private static final int CONSTANT_INT = 100;private static final String CONSTANT_STRING = "Hello";public static void main(String[] args) {System.out.println(CONSTANT_INT);System.out.println(CONSTANT_STRING);}
}

在编译后的 Example.class 文件中，静态常量池会包含：

• 整数 100
• 字符串 "Hello"
• 类 java/lang/System
• 字段 out 和 println 方法的符号引用

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二 运行时常量池（Runtime Constant Pool）

2.1 概述

运行时常量池是 JVM 在类加载后，静态常量池的一个运行时表示。它是方法区的一部分（在 JDK 8 及之后版本中，属于元空间 Metaspace），用于在程序运行时管理和使用常量。

2.2 存储内容

1. 来自静态常量池的内容：
   • 字面量（如数值、字符串）。
   • 符号引用解析后的直接引用（如指向内存地址的指针）。
2. 动态生成的内容：
   • 通过 String.intern() 方法动态添加的字符串。
   • 动态语言的元数据（如在 JVM 上运行的动态语言）。

2.3 特点

• 动态性：可以在运行时动态添加新的常量，如通过 intern() 方法。
• 内存位置：在 JDK 8 及之后版本中，运行时常量池位于堆内存的元空间中。
• 生命周期：与类的生命周期相关，类被卸载时，常量池也会被回收。

2.4 示例

public class RuntimePoolTest {public static void main(String[] args) {String str1 = "Hello"; // 静态常量String str2 = new String("Hello").intern(); // 动态添加到运行时常量池}
}

在上述代码中：

• "Hello" 是编译时的字符串字面量，已存在于静态常量池。
• str2 通过 intern() 方法将 "Hello" 的引用添加到运行时常量池。

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三 基础类型常量池（Primitive Type Constant Pool）

3.1 概述

基础类型常量池主要针对 Java 中的基本数据类型（如 int、long 等）以及其对应的包装类（如 Integer、Long 等），用于优化内存使用和提高性能。

3.2 存储内容

1. 基本数据类型的常量值：
   • 如整数 1、浮点数 3.14、字符 'A'、布尔值 true 等。
2. 包装类的缓存对象：
   • 包装类如 Integer、Long、Short、Byte、Character、Boolean 提供了缓存机制，存储常用的常量值。

3.3 特点

• 缓存机制：包装类会缓存一定范围内的常量对象，以减少内存开销和提升性能。

• 范围限制

  ：

  • Integer 和 Long：默认缓存范围是 -128 到 127。
  • Short 和 Byte：所有值都在缓存范围内。
  • Character：缓存范围是 \u0000 到 \u007F（即 0 到 127）。
  • Boolean：只有 true 和 false 两个值被缓存。

• 可调整性：某些包装类的缓存范围可以通过 JVM 参数进行调整（如 Integer 的缓存上限）。

3.4 示例

public class PrimitiveConstantPoolTest {public static void main(String[] args) {Integer a = 127;Integer b = 127;Integer c = 128;Integer d = 128;System.out.println(a == b); // true，引用同一个缓存对象System.out.println(c == d); // false，超出缓存范围，创建新对象}
}

在上述代码中：

• a 和 b 都被自动装箱为 Integer 类型，且值在缓存范围内，因此引用同一个对象。
• c 和 d 的值超出默认缓存范围，因此分别创建了不同的对象。

3.5 JVM 参数调整缓存范围

对于 Integer，可以通过以下 JVM 参数调整缓存上限：

-Djava.lang.Integer.IntegerCache.high=1000

这会将 Integer 的缓存范围扩展到 -128 到 1000。

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四 字符串常量池（String Constant Pool）

4.1 概述

字符串常量池是 JVM 中专门用于存储字符串字面量和通过 intern() 方法添加的字符串的区域。其主要目的是为了优化字符串的存储，避免重复创建相同内容的字符串对象，从而节省内存并提高性能。

4.2 特点

1. 位置：
   • JDK 7 及之后版本：字符串常量池位于堆内存中，作为普通对象的一部分。
   • JDK 6 及之前版本：字符串常量池位于方法区（永久代 PermGen）。
2. 唯一性：
   • 常量池中的每个字符串都是唯一的。如果两个字符串内容相同，常量池中只存储一个实例。
3. 动态性：
   • 可以在运行时通过 String.intern() 方法动态添加新的字符串到常量池中。

4.3 存储内容

• 字符串字面量：如 "Hello"、"World" 等。
• 通过 intern() 方法添加的字符串。

4.4 工作机制

1. 字符串字面量

当创建字符串字面量时，JVM 会：

• 检查常量池：首先检查字符串常量池中是否已存在相同内容的字符串。
• 引用或添加：
  • 如果存在，直接引用常量池中的字符串。
  • 如果不存在，将该字符串添加到常量池中。

示例代码：

public class StringPoolTest {public static void main(String[] args) {String str1 = "Hello";String str2 = "Hello";System.out.println(str1 == str2); // 输出 true，引用同一个对象}
}

2. String.intern() 方法

• 功能：将字符串对象的引用添加到常量池中，并返回常量池中的引用。
• 行为：
  • 如果常量池中已存在相同内容的字符串，则返回该引用。
  • 如果不存在，则将当前字符串添加到常量池中，并返回其引用。

示例代码：

public class StringInternTest {public static void main(String[] args) {String str1 = new String("Hello");String str2 = str1.intern();String str3 = "Hello";System.out.println(str1 == str2); // 输出 false，str1 在堆中，str2 引用常量池System.out.println(str2 == str3); // 输出 true，str2 和 str3 引用同一常量池中的字符串}
}

4.5 优点

1. 节省内存：相同内容的字符串只存储一个实例，减少内存开销。
2. 提高性能：字符串比较操作更高效，因为可以直接比较引用。

4.6 注意事项

1. 避免滥用 intern()
   • 频繁调用 intern() 可能导致常量池中过多的字符串，增加内存压力和 GC 负担。
2. 字符串拼接的优化
   • 编译时拼接：如 "Hello" + "World" 会在编译时优化为 "HelloWorld"，直接引用常量池中的字符串。
   • 运行时拼接：如使用 StringBuilder 进行动态拼接，结果字符串默认不在常量池中，需显式调用 intern() 才会被添加。

示例代码：

public class StringConcatTest {public static void main(String[] args) {String str1 = "Hello" + "World"; // 编译时优化为 "HelloWorld"String str2 = "HelloWorld";System.out.println(str1 == str2); // 输出 trueString str3 = "Hello";String str4 = str3 + "World"; // 运行时拼接String str5 = "HelloWorld";System.out.println(str4 == str5); // 输出 false}
}

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五 常量池的关系与区别

下表总结了静态常量池、运行时常量池、基础类型常量池和字符串常量池的主要区别与联系：

特性	静态常量池	运行时常量池	基础类型常量池	字符串常量池
定义位置	.class 文件中	JVM 的方法区（JDK 8 及后为元空间）	运行时常量池的一部分	堆内存中的专用区域
生成时间	编译时	类加载时和运行时	编译时和运行时	编译时和运行时
存储内容	字面量、符号引用	静态常量池的内容及运行时生成的新常量	基本数据类型的常量值及包装类的缓存对象	字符串字面量及通过 intern() 添加的字符串
是否可变	不可变	可动态扩展	基本类型常量不可变，包装类缓存可复用对象	可通过 intern() 动态添加
内存管理	与类文件生命周期一致	与类的生命周期一致，受垃圾回收影响	缓存对象存储在堆中，受垃圾回收管理	存储在堆中，受垃圾回收管理
主要优化目的	减少重复字面量和符号引用的存储	管理类加载时的常量，支持动态常量的添加	减少包装类对象的创建，提升性能	减少重复字符串对象的创建，节省内存

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六 总结

在 Java JVM 中，常量池机制通过不同类型的常量池（静态常量池、运行时常量池、基础类型常量池和字符串常量池）优化了内存使用和性能：

• 静态常量池：在编译时确定，存储类级别的常量和符号引用，存在于每个 .class 文件中。
• 运行时常量池：在类加载后，静态常量池的运行时表示，可以动态添加常量，位于方法区或元空间中。
• 基础类型常量池：针对基本数据类型和其包装类，提供缓存机制，减少对象创建，提高性能。
• 字符串常量池：专门用于存储字符串字面量和通过 intern() 添加的字符串，确保字符串唯一性，节省内存。