Java类加载阶段的一些细节

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注意，本文所说的加载，是类加载这个过程的第一个阶段，而不是指的类加载的全部过程

加载（Loading）

从不同的来源将类文件（.class）转化为二进制流加载到内存中，来源可以是本地磁盘、jar包中的类、甚至可以从网络上动态下载类。然后会通过这个二进制流将数据转化成一个代表类的Class对象，并且在元空间中存储该类的信息

这里有一个容易混淆的概念，方法区，永久代以及元空间的关系。方法区只是一个规范，而永久代和元空间是对这套规范的实现，永久代是JDK8之前的实现方式，而元空间是JDK8及之后的实现方式。永久代和元空间的区别在于，永久代在JVM的堆内存中，而元空间在本地内存中，即操作系统中可用内存大小，其大小不受-Xms和-Xmx的限制，减少了OOM发生的频率。

静态常量池

编译期确定，存储在.class文件中，可以通过javap -v -c XXX.class查看

动态常量池

又称运行时常量池，是JVM在加载类时，将静态常量池加载到元空间后的产物，这意味着它是位于元空间的。动态常量池中的数据与静态常量池中的数据基本相同，但是有着更加灵活的特性，包括可实时动态向其中添加新的对象。

动态常量池还与动态解析相关，其中存放的符号引用会在解析成功后替换为直接引用，若解析失败，则会被JVM标记，防止下一次再次尝试解析

字符串常量池

字符串常量池在不同的JDK版本中有细微差异，如下图：

不同版本jdk的内存对比

上图中的String Object为实际的对象，s1-s3是引用

我们来看以下代码：

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public class Main {

  public static void main(String[] args) {

    String s1 = new StringBuilder().append("think").append("123").toString();

    System.out.println(s1.intern() == s1);

    String s2 = new StringBuilder().append("ja").append("va").toString();

    System.out.println(s2.intern() == s2);
  }
}

上述代码来自：https://generalthink.github.io/2020/08/26/analysis-string-intern/

这段代码的输出如下：

  • JDK6 : false false
  • JDK8 : true false
  • JDK12: true true

WHY？

在开始分析前，一定要牢记一下几点，否则会很容易迷失：

  • 无论哪个JDK版本，字符串常量池中始终存放的是字符串对象的引用，而不是字符串对象本身。
  • JVM在执行时，每遇到一个字符串字面量，都会在某个内存区域内（JDK7之前是在永久代中，JDK7及其之后是在堆中），为每个字面量都创建一个字符串对象，并且将这个对象的引用加入字符串常量池

我们用x表示引用，*x表示该引用指向的对象本身，以免引起混淆

intern方法的作用：对于调用sa.intern()，若字符串常量池中存在一个字符串对象的引用sb，满足sa.equals(sb)，那么直接返回sb，否则将sa加入字符串常量池中（此处的“加入”行为随着JDK版本不同而不同，后面会详细解释），并返回sa

  • JDK6：字符串常量池位于永久代中，与堆处于不同的内存区域，intern方法此时的行为是：对于调用sa.intern()，若在字符串常量池中存在一个sb，满足sa.equals(sb)，那么直接返回sb，否则将*sa复制到永久代（注意不是复制到永久代中的字符串常量池，字符串常量池只存储引用，并不存储对象本身），记这个副本为*sc，然后返回sc。

    现在再来看上述程序的行为，虽然*s1被创建出来后，其中的字符串的值为”think123”，但是由于”think123”并不是编译时期就能确定的字面量，而是运行时通过StringBuilder拼出来的，所以在永久代中并没有值为”think123”的字符串对象（当然字符串常量池中也没有值为”think123”的字符串对象的引用），所以在调用s1.intern()时，会把*s1拷贝到永久代中，记这个副本为*s1’，然后把s1’添加到字符串常量池中，并返回s1’，那么自然s1’并不等于s1，所以输出false。后面的s2也是同样的道理

  • JDK7：JDK7中的字符串常量池不再位于永久代中，而是位于堆中，也就意味着intern的行为将发生改变，此时intern的行为是：对于调用sa.intern()，若在字符串常量池中存在一个sb，满足sa.equals(sb)，那么直接返回sb，否则将sa加入字符串常量池中，并返回sa。可以看到相比JDK6，少了一个复制的步骤，这是因为此时字符串对象和字符串常量池都在堆中，没有必要进行复制，减少了内存占用，加快了执行时间。

    再来分析一下上述程序，首先创建了一个值为”think123”的字符串对象*s1，此时s1并没有被加入字符串常量池中。接着调用s1.intern()，发现s1不在字符串常量池中，那么会将s1加入字符串常量池，然后返回s1，s1 == s1成立，故输出true。那为什么对于s2输出的是false呢？不是应该与s1的情况一样吗？这其实是因为在Java的sun.misc.Version中，存在这个”java”字符串字面量！这个类是Java内部的，会在很早就加载进来，那么自然就会创建它的字符串对象并将其引用加入字符串常量池了，所以与我们自己创建的”java”字符串对象不是同一个，自然就返回false

  • JDK12：在JDK12中，”java”这个字面量被从sun.misc.Version中移除了，所以对于s2的情况也会输出true