String对象的创建

 

作者：Heart.Raid 

http://www.javaeye.com/topic/522167

每次上网冲杯Java时，都能看到关于String无休无止的争论。还是觉得有必要让这个讨厌又很可爱的String美眉，赤裸裸的站在我们这些Java色狼面前了。嘿嘿....

众所周知，String是由字符组成的串，在程序中使用频率很高。Java中的String是一个类，而并非基本数据类型。 不过她却不是普通的类哦！！！

 

【镜头1】 String对象的创建 
      1、关于类对象的创建，很普通的一种方式就是利用构造器，String类也不例外：String s=new String("Hello world"); 问题是参数"Hello world"是什么东西，也是字符串对象吗?莫非用字符串对象创建一个字符串对象?

      2、当然，String类对象还有一种大家都很喜欢的创建方式：String s="Hello world"; 但是有点怪呀，怎么与基本数据类型的赋值操作（int i=1）很像呀?

      在开始解释这些问题之前，我们先引入一些必要的知识:

★ Java class文件结构 和常量池 
      我们都知道，Java程序要运行，首先需要编译器将源代码文件编译成字节码文件(也就是.class文件)。然后在由JVM解释执行。
      class文件是8位字节的二进制流 。这些二进制流的涵义由一些紧凑的有意义的项 组成。比如class字节流中最开始的4个字节组成的项叫做魔数(magic)，其意义在于分辨class文件(值为0xCAFEBABE)与非class文件。class字节流大致结构如下图左侧。

                                

      其中，在class文件中有一个非常重要的项——常量池 。这个常量池专门放置源代码中的符号信息(并且不同的符号信息放置在不同标志的常量表中)。如上图右侧是HelloWorld代码中的常量表（HelloWorld代码如下），其中有四个不同类型的常量表(四个不同的常量池入口)。关于常量池的具体细节，请参照我的博客《Class文件内容及常量池 》

public class HelloWorld{

void hello(){

System.out.println("Hello world");

}

}

      通过上图可见，代码中的"Hello world"字符串字面值被编译之后，可以清楚的看到存放在了class常量池中的字符串常量表中(上图右侧红框区域)。

 

★ JVM运行class文件

      源代码编译成class文件之后，JVM就要运行这个class文件。它首先会用类装载器加载进class文件。然后需要创建许多内存数据结构来存放class文件中的字节数据。比如class文件对应的类信息数据、常量池结构、方法中的二进制指令序列、类方法与字段的描述信息等等。当然，在运行的时候，还需要为方法创建栈帧等。这么多的内存结构当然需要管理，JVM会把这些东西都组织到几个“运行时数据区 ”中。这里面就有我们经常说的“方法区”、“堆 ”、“Java栈 ”等。详细请参见我的博客《Java 虚拟机体系结构 》 。

 

      上面我们提到了，在Java源代码中的每一个字面值字符串，都会在编译成class文件阶段，形成标志号 为8(CONSTANT_String_info)的常量表 。当JVM加载 class文件的时候，会为对应的常量池建立一个内存数据结构，并存放在方法区中。同时JVM会自动为CONSTANT_String_info常量表中 的字符串常量字面值 在堆中 创建 新的String对象(intern字符串 对象 ，又叫拘留字符串对象)。然后把CONSTANT_String_info常量表的入口地址转变成这个堆中String对象的直接地址(常量池解 析)。 

 

      这里很关键的就是这个拘留字符串对象 。源代码中所有相同字面值的字符串常量只可能建立唯一一个拘留字符串对象。 实际上JVM是通过一个记录了拘留字符串引用的内部数据结构来维持这一特性的。在Java程序中，可以调用String的intern()方法来使得一个常规字符串对象成为拘留字符串对象。我们会在后面介绍这个方法的。

 

★ 操作码助忆符指令 
      有了上面阐述的两个知识前提，下面我们将根据二进制指令来区别两种字符串对象的创建方式：  

      (1) String s=new String("Hello world");编译成class文件后的指令(在myeclipse中查看):

 

0  new java.lang.String [15]  //在堆中分配一个String类对象的空间，并将该对象的地址堆入操作数栈。

3  dup //复制操作数栈顶数据，并压入操作数栈。该指令使得操作数栈中有两个String对象的引用值。

4  ldc <String "Hello world"> [17] //将常量池中的字符串常量"Hello world"指向的堆中拘留String对象的地址压入操作数栈

6  invokespecial java.lang.String(java.lang.String) [19] //调用String的初始化方法，弹出操作数栈栈顶的两个对象地址，用拘留String对象的值初始化new指令创建的String对象，然后将这个对象的引用压入操作数栈

9  astore_1 [s] // 弹出操作数栈顶数据存放在局部变量区的第一个位置上。此时存放的是new指令创建出的，已经被初始化的String对象的地址。

      事实上，在运行这段指令之前，JVM就已经为"Hello world"在堆中创建了一个拘留字符串( 值得注意的是：如果源程序中还有一个"Hello world"字符串常量，那么他们都对应了同一个堆中的拘留字符串)。然后用这个拘留字符串的值来初始化堆中用new指令创建出来的新的String对象，局部变量s实际上存储的是new出来的堆对象地址。 大家注意了，此时在JVM管理的堆中，有两个相同字符串值的String对象：一个是拘留字符串对象，一个是new新建的字符串对象。如果还有一条创建语句String s1=new String("Hello world")；堆中有几个值为"Hello world"的字符串呢? 答案是3个，大家好好想想为什么吧！

 

      (2)将String s="Hello world";编译成class文件后的指令:

0  ldc <String "Hello world"> [15]//将常量池中的字符串常量"Hello world"指向的堆中拘留String对象的地址压入操作数栈

2  astore_1 [str] // 弹出操作数栈顶数据存放在局部变量区的第一个位置上。此时存放的是拘留字符串对象在堆中的地址

      和上面的创建指令有很大的不同，局部变量s存储的是早已创建好的拘留字符串的堆地址。 大家好好想想，如果还有一条穿件语句String s1="Hello word"；此时堆中有几个值为"Hello world"的字符串呢?答案是1个。那么局部变量s与s1存储的地址是否相同呢？  呵呵, 这个你应该知道了吧。

 

 

★ 镜头总结： String类型脱光了其实也很普通。真正让她神秘的原因就在于CONSTANT_String_info常量表 和拘留字符串对象 的存在。现在我们可以解决江湖上的许多纷争了。

  【 纷争1】关于字符串相等关系的争论

//代码1

String sa=new String("Hello world");          

String sb=new String("Hello world");    

System.out.println(sa==sb);  // false     

//代码2  

String sc="Hello world";  

String sd="Hello world";

System.out.println(sc==sd);  // true 

       代码1中局部变量sa,sb中存储的是JVM在堆中new出来的两个String对象的内存地址。虽然这两个String对象的值(char[]存放的字符序列)都是"Hello world"。 因此"=="比较的是两个不同的堆地址。代码2中局部变量sc,sd中存储的也是地址，但却都是常量池中"Hello world"指向的堆的唯一的那个拘留字符串对象的地址 。自然相等了。

  【纷争2】 字符串“+”操作的内幕

//代码1

String sa = "ab";                                        

String sb = "cd";                                     

String sab=sa+sb;                                    

String s="abcd";

System.out.println(sab==s); // false

//代码2

String sc="ab"+"cd";

String sd="abcd";

System.out.println(sc==sd); //true

       代码1中局部变量sa,sb存储的是堆中两个拘留字符串对象的地址。而当执行sa+sb时，JVM首先会在堆中创建一个StringBuilder类，同时用sa指向的拘留字符串对象完成初始化，然后调用append方法完成对sb所指向的拘留字符串的合并操作，接着调用StringBuilder的toString()方法在堆中创建一个String对象，最后将刚生成的String对象的堆地址存放在局部变量sab中。而局部变量s存储的是常量池中"abcd"所对应的拘留字符串对象的地址。sab与s地址当然不一样了。这里要注意了，代码1的堆中实际上有五个字符串对象：三个拘留字符串对象、一个String对象和一个StringBuilder对象。
      代码2中"ab"+"cd"会直接在编译期就合并成常量"abcd"， 因此相同字面值常量"abcd"所对应的是同一个拘留字符串对象，自然地址也就相同。