第 12 章 字符串常量池 (String Table)、intern()方法、String的内存结构、相关面试题

第 12 章 StringTable

1、String 的基本特性

1.1、String 概述

String 的概述

  • String:字符串,使用一对“”引起来表示
    String s1 = "guizy" ;   			// 字面量的定义方式
    String s2 =  new String("moxi");     // new 对象的方式
    
  • String声明为final的,不可被继承
  • String实现了Serializable接口:表示字符串是支持序列化的。实现了Comparable接口表示String可以比较大小
  • String在jdk8及以前内部定义了final char[] value用于存储字符串数据。JDK9时改为byte[]

为什么 JDK9 改变了 String 的结构

官方文档

http://openjdk.java.net/jeps/254


为什么改为 byte[] 存储?

在许多不同的应用程序收集数据表明: 字符串是堆使用的主要组成部分, 大多数字符串对象只包含拉丁字符, 只需要用到一个字节的空间, 之前用char[]数组, 站2个字节的空间, 实际用到只有一个字节。

  • byte[] 数组 + 编码标志位的方式
  1. String类的当前实现将字符存储在char数组中,每个字符使用两个字节(16位)。
  2. 从许多不同的应用程序收集的数据表明,字符串是堆使用的主要组成部分而且大多数字符串对象只包含拉丁字符这些字符只需要一个字节的存储空间因此这些字符串对象的内部char数组中有一半的空间将不会使用。
  3. 之前 String 类使用 UTF-16 的 char[] 数组存储现在改为 byte[] 数组 外加一个编码标志位存储,该编码标志将指定 String 类中 byte[] 数组的编码方式
  4. 结论:String再也不用char[] 来存储了,改成了byte [] 加上编码标记,节约了一些空间
  5. 同时基于String的数据结构,例如StringBufferStringBuilder也同样做了修改
// 之前
private final char value[];
// 之后
private final byte[] value

1.2、String 的基本特征

String 的基本特征

String:代表不可变的字符序列。简称:不可变性。

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  • 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。

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。

代码

@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";
    System.out.println(s1 == s2);// true, 表示指向字符串常量池中的同一地址
    
    s1 = "hello";
    System.out.println(s1 == s2);//判断地址:false, 表明s1从新开辟了一个存储空间

    System.out.println(s1);//hello
    System.out.println(s2);//abc
}
  • 字节码指令
    • 取字符串 “abc” 时,使用的是同一个符号引用:#2
    • 取字符串 “hello” 时,使用的是另一个符号引用:#3
 0 ldc #2 <abc>
 2 astore_1
 3 ldc #2 <abc>
 5 astore_2
 6 ldc #3 <hello>
 8 astore_1
 9 getstatic #4 <java/lang/System.out>
12 aload_1
13 aload_2
14 if_acmpne 21 (+7)
17 iconst_1
18 goto 22 (+4)
21 iconst_0
22 invokevirtual #5 <java/io/PrintStream.println>
25 getstatic #4 <java/lang/System.out>
28 aload_1
29 invokevirtual #6 <java/io/PrintStream.println>
32 getstatic #4 <java/lang/System.out>
35 aload_2
36 invokevirtual #6 <java/io/PrintStream.println>
39 return
  • 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

  • 代码

@Test
public void test2() {
    String s1 = "abc";
    String s2 = "abc";
    s2 += "def";
    System.out.println(s2);//abcdef
    System.out.println(s1);//abc
}
  • 字节码指令:拼接操作(+)通过StringBuilder 的 append() 方法完成
 0 ldc #2 <abc>
 2 astore_1
 3 ldc #2 <abc>
 5 astore_2
 6 new #7 <java/lang/StringBuilder>
 9 dup
10 invokespecial #8 <java/lang/StringBuilder.<init>>
13 aload_2
14 invokevirtual #9 <java/lang/StringBuilder.append>
17 ldc #10 <def>
19 invokevirtual #9 <java/lang/StringBuilder.append>
22 invokevirtual #11 <java/lang/StringBuilder.toString>
25 astore_2
26 getstatic #4 <java/lang/System.out>
29 aload_2
30 invokevirtual #6 <java/io/PrintStream.println>
33 getstatic #4 <java/lang/System.out>
36 aload_1
37 invokevirtual #6 <java/io/PrintStream.println>
40 return
  • 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
@Test
public void test3() {
    String s1 = "abc";
    String s2 = s1.replace('a', 'm');
    System.out.println(s1);//abc
    System.out.println(s2);//mbc
}

来看看 replace() 方法的源码

  • new String(buf, true); 后,返回新的 String 对象
public String replace(char oldChar, char newChar) {
    if (oldChar != newChar) {
        int len = value.length;
        int i = -1;
        char[] val = value; /* avoid getfield opcode */

        while (++i < len) {
            if (val[i] == oldChar) {
                break;
            }
        }
        if (i < len) {
            char buf[] = new char[len];
            for (int j = 0; j < i; j++) {
                buf[j] = val[j];
            }
            while (i < len) {
                char c = val[i];
                buf[i] = (c == oldChar) ? newChar : c;
                i++;
            }
            return new String(buf, true);
        }
    }
    return this;
}

课后练习:String 的不可变性

  • 代码
/**
 * @author shkstart  shkstart@126.com
 * @create 2020  23:44
 */
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
    }
}
  • str 的内容(重新赋值)并没有变“test ok” 位于字符串常量池中的另一个区域(地址), 进行赋值操作并没有修改原来 str 指向的引用的内容

1.3、String 的底层结构

String 底层 Hashtable 结构的说明

字符串常量池是不会存储相同内容的字符串的 :

  1. String的String Pool是一个固定大小的Hashtable,默认值大小长度是1009。如果放进String Pool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()方法时性能会大幅下降。
  2. 使用-XX:StringTablesize可设置StringTable的长度
  3. 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
  4. JDK7中,StringTable的长度默认值是60013,StringTablesize设置没有要求
  5. JDK8中,StringTable的长度默认值是60013,StringTable可以设置的最小值为1009

代码示例:设置 StringTable 的长度

  • 代码
/**
 * -XX:StringTableSize=1009
 *
 * @author shkstart  shkstart@126.com
 * @create 2020  23:53
 */
public class StringTest2 {
    public static void main(String[] args) {
        // 测试StringTableSize参数
        System.out.println("我来打个酱油");
        try {
            Thread.sleep(1000000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

通过 -XX:StringTableSize 设置 StringTable 长度

  • JVM 参数
-XX:StringTableSize=6666
  • jinfo 查看变量值
jps
jinfo -flag StringTableSize 进程id

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测试不同 StringTable 长度下,程序的性能

  • 代码
/**
 * -XX:StringTableSize=1009
 *
 * @author shkstart  shkstart@126.com
 * @create 2020  23:53
 */
public class StringTest2 {
    public static void main(String[] args) {       
        BufferedReader br = null;
        try {
            br = new BufferedReader(new FileReader("words.txt"));
            long start = System.currentTimeMillis();
            String data;
            while ((data = br.readLine()) != null) {
                //如果字符串常量池中没有对应data的字符串的话,则在常量池中生成
                data.intern();
            }

            long end = System.currentTimeMillis();

            System.out.println("花费的时间为:" + (end - start));//1009:143ms  100009:47ms
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (br != null) {
                try {
                    br.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

            }
        }
    }
}
  • -XX:StringTableSize=1009 :程序耗时 143ms
  • -XX:StringTableSize=100009 :程序耗时 47ms

2、String 的内存分配

2.1、String 内存分配演进过程

String 类型

  1. 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。
  2. 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。比如:String info="atguigu.com";
    • 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
  • 通过String str = "123"和String的intern()方法创建的字符串, 都存储在字符串常量池

String 内存分配的演进过程

  1. Java 6及以前字符串常量池存放在永久代
  2. Java 7, 字符串常量池的位置调整到Java堆内 (因为字符串是经常需要回收的对象, 所以存放在堆中回收容易)
    • 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。
    • 字符串常量池概念原本使用得比较多,但是这个改动使得我们有足够的理由让我们重新考虑在Java 7中使用String.intern()。
  3. Java8元空间,字符串常量池在

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2.2、为什么要调整 String 位置 (从永久代调到堆)

StringTable 为什么要调整?

官方文档

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

  • 为什么要调整位置?
    • 永久代的默认比较小
    • 永久代垃圾回收频率低
    • 堆中空间足够大,字符串可被及时回收
  • 在JDK 7中,interned字符串不再在Java堆的永久代中分配,而是在Java堆的主要部分(称为年轻代和年老代)中分配,与应用程序创建的其他对象一起分配。
  • 此更改将导致驻留在主Java堆中的数据更多,驻留在永久生成中的数据更少,因此可能需要调整堆大小。

代码示例

  • 代码
/**
 * jdk6中:
 * -XX:PermSize=6m -XX:MaxPermSize=6m -Xms6m -Xmx6m
 *
 * jdk8中:
 * -XX:MetaspaceSize=6m -XX:MaxMetaspaceSize=6m -Xms6m -Xmx6m
 * @author shkstart  shkstart@126.com
 * @create 2020  0:36
 */
public class StringTest3 {
    public static void main(String[] args) {
        //使用Set保持着常量池引用,避免full gc回收常量池行为
        Set<String> set = new HashSet<>();
        //在short可以取值的范围内足以让6MB的PermSize或heap产生OOM了。
        short i = 0;
        while(true){
            set.add(String.valueOf(i++).intern());
        }
    }
}
  • 异常日志说:我真没骗你,字符串真的在堆中(JDK8)
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
	at java.util.HashMap.resize(HashMap.java:703)
	at java.util.HashMap.putVal(HashMap.java:662)
	at java.util.HashMap.put(HashMap.java:611)
	at java.util.HashSet.add(HashSet.java:219)
	at com.atguigu.java.StringTest3.main(StringTest3.java:22)

Process finished with exit code 1

3、String 的基本操作

核心思想

  • Java语言规范里要求完全相同的字符串字面量,应该包含同样的Unicode字符序列(包含同一份码点序列的常量),并且必须是指向同一个String类实例。

题目一

  • 代码
/**
 * @author shkstart  shkstart@126.com
 * @create 2020  0:49
 */
public class StringTest4 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println();//2330
        System.out.println("1");//2331
        System.out.println("2");
        System.out.println("3");
        System.out.println("4");
        System.out.println("5");
        System.out.println("6");
        System.out.println("7");
        System.out.println("8");
        System.out.println("9");
        System.out.println("10");//2340

        //如下的字符串"1" 到 "10"不会再次加载
        System.out.println("1");//2341
        System.out.println("2");//2341
        System.out.println("3");
        System.out.println("4");
        System.out.println("5");
        System.out.println("6");
        System.out.println("7");
        System.out.println("8");
        System.out.println("9");
        System.out.println("10");//2341
    }
}
  • 分析字符串常量池的变化

    • 程序启动时已经加载了 2330 个字符串常量

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  • 加载换行符

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  • 加载了字符串常量 “1”~“9”

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  • 加载字符串常量 “10”

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  • 之后的字符串"1" 到 "10"不会再次加载

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题目二

  • 代码
/**
 * @author shkstart  shkstart@126.com
 * @create 2020  0:51
 */
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
}
  • 分析运行时内存(foo() 方法是实例方法,其实图中少了一个 this 局部变量)

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4、字符串拼接操作

4.1、符串拼接操作的结论

字符串拼接操作的结论

  1. 常量与常量的拼接结果在常量池,原理是编译期优化
  2. 常量池中不会存在相同内容的变量
  3. 拼接前后,只要其中有一个是变量,结果就在堆中变量拼接的原理是StringBuilder
  4. 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
    • 如果存在则返回字符串在常量池中的地址
    • 如果字符串常量池中不存在该字符串,则在常量池中创建一份,并返回此对象的地址

常量与常量的拼接结果在常量池,原理是编译期优化

  • 代码
@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
    /*
     * 最终.java编译成.class,再执行.class
     * String s1 = "abc";
     * String s2 = "abc"
     */
    System.out.println(s1 == s2); //true
    System.out.println(s1.equals(s2)); //true
}
  • 从字节码指令看出:编译器做了优化,将 “a” + “b” + “c” 优化成了 “abc”
 0 ldc #2 <abc>
 2 astore_1
 3 ldc #2 <abc>
 5 astore_2
 6 getstatic #3 <java/lang/System.out>
 9 aload_1
10 aload_2
11 if_acmpne 18 (+7)
14 iconst_1
15 goto 19 (+4)
18 iconst_0
19 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
22 getstatic #3 <java/lang/System.out>
25 aload_1
26 aload_2
27 invokevirtual #5 <java/lang/String.equals>
30 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
33 return
  • IDEA 反编译 class 文件后,来看这个问题
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  • 拼接前后,只要其中有一个是变量,结果就在堆中

  • 调用intern() 方法,则主动将字符串对象存入字符串常量池中,并将其地址返回

代码

@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
    // + 拼接, 底层使用了StringBuilder对象的apend()方法.
    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,并返回此对象的地址。
    String s8 = s6.intern();
    System.out.println(s3 == s8);//true
}
  • 从字节码角度来看:拼接前后有变量,都会使用到 StringBuilder 类
  0 ldc #6 <javaEE>
  2 astore_1
  3 ldc #7 <hadoop>
  5 astore_2
  6 ldc #8 <javaEEhadoop>
  8 astore_3
  9 ldc #8 <javaEEhadoop>
 11 astore 4
 13 new #9 <java/lang/StringBuilder>
 16 dup
 17 invokespecial #10 <java/lang/StringBuilder.<init>>
 20 aload_1
 21 invokevirtual #11 <java/lang/StringBuilder.append>
 24 ldc #7 <hadoop>
 26 invokevirtual #11 <java/lang/StringBuilder.append>
 29 invokevirtual #12 <java/lang/StringBuilder.toString>
 32 astore 5
 34 new #9 <java/lang/StringBuilder>
 37 dup
 38 invokespecial #10 <java/lang/StringBuilder.<init>>
 41 ldc #6 <javaEE>
 43 invokevirtual #11 <java/lang/StringBuilder.append>
 46 aload_2
 47 invokevirtual #11 <java/lang/StringBuilder.append>
 50 invokevirtual #12 <java/lang/StringBuilder.toString>
 53 astore 6
 55 new #9 <java/lang/StringBuilder>
 58 dup
 59 invokespecial #10 <java/lang/StringBuilder.<init>>
 62 aload_1
 63 invokevirtual #11 <java/lang/StringBuilder.append>
 66 aload_2
 67 invokevirtual #11 <java/lang/StringBuilder.append>
 70 invokevirtual #12 <java/lang/StringBuilder.toString>
 73 astore 7
 75 getstatic #3 <java/lang/System.out>
 78 aload_3
 79 aload 4
 81 if_acmpne 88 (+7)
 84 iconst_1
 85 goto 89 (+4)
 88 iconst_0
 89 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
 92 getstatic #3 <java/lang/System.out>
 95 aload_3
 96 aload 5
 98 if_acmpne 105 (+7)
101 iconst_1
102 goto 106 (+4)
105 iconst_0
106 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
109 getstatic #3 <java/lang/System.out>
112 aload_3
113 aload 6
115 if_acmpne 122 (+7)
118 iconst_1
119 goto 123 (+4)
122 iconst_0
123 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
126 getstatic #3 <java/lang/System.out>
129 aload_3
130 aload 7
132 if_acmpne 139 (+7)
135 iconst_1
136 goto 140 (+4)
139 iconst_0
140 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
143 getstatic #3 <java/lang/System.out>
146 aload 5
148 aload 6
150 if_acmpne 157 (+7)
153 iconst_1
154 goto 158 (+4)
157 iconst_0
158 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
161 getstatic #3 <java/lang/System.out>
164 aload 5
166 aload 7
168 if_acmpne 175 (+7)
171 iconst_1
172 goto 176 (+4)
175 iconst_0
176 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
179 getstatic #3 <java/lang/System.out>
182 aload 6
184 aload 7
186 if_acmpne 193 (+7)
189 iconst_1
190 goto 194 (+4)
193 iconst_0
194 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
197 aload 6
199 invokevirtual #13 <java/lang/String.intern>
202 astore 8
204 getstatic #3 <java/lang/System.out>
207 aload_3
208 aload 8
210 if_acmpne 217 (+7)
213 iconst_1
214 goto 218 (+4)
217 iconst_0
218 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
221 return

4.2、字符串拼接的底层细节

字符串拼接的底层细节 : ( + )

代码示例 1

  • 代码

`String s4 = s1 + s2; 底层做了什么事情?

  • 如下的s1 + s2 的执行细节:(变量s是我临时定义的)
    ① StringBuilder s = new StringBuilder();
    ② s.append(“a”)
    ③ s.append(“b”)
    s.toString() --> 约等于 new String(“ab”)
  • 所以 s1 + s2, 相当于重新new了一个String对象
@Test
public void test3(){
    String s1 = "a";
    String s2 = "b";
    String s3 = "ab";
    /*
    如下的s1 + s2 的执行细节:(变量s是我临时定义的)
    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;//"ab"
    System.out.println(s3 == s4);//false
}
  • 字节码指令
 0 ldc #14 <a>
 2 astore_1
 3 ldc #15 <b>
 5 astore_2
 6 ldc #16 <ab>
 8 astore_3
 9 new #9 <java/lang/StringBuilder>
12 dup
13 invokespecial #10 <java/lang/StringBuilder.<init>>
16 aload_1
17 invokevirtual #11 <java/lang/StringBuilder.append>
20 aload_2
21 invokevirtual #11 <java/lang/StringBuilder.append>
24 invokevirtual #12 <java/lang/StringBuilder.toString>
27 astore 4
29 getstatic #3 <java/lang/System.out>
32 aload_3
33 aload 4
35 if_acmpne 42 (+7)
38 iconst_1
39 goto 43 (+4)
42 iconst_0
43 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
46 return
  • 分析拼接的步骤

    • new StringBuilder()
     9 new #9 <java/lang/StringBuilder>
    12 dup
    13 invokespecial #10 <java/lang/StringBuilder.<init>>
    
    • 加载字符串变量,进行append 操作
    16 aload_1
    17 invokevirtual #11 <java/lang/StringBuilder.append>
    20 aload_2
    21 invokevirtual #11 <java/lang/StringBuilder.append>
    24 invokevirtual #12 <java/lang/StringBuilder.toString>
    
    • 调用StringBuilder 类的 toString() 方法,转换为字符串,并存储在局部变量中
    24 invokevirtual #12 <java/lang/StringBuilder.toString>
    27 astore 4
    

代码示例 2

代码

  • 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。
    • 此时下面的s1,s2都加上了final, 变为了常量, 拼接常量引用,在编译器优化, 不是使用StringBuilder的方式
  • 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。
/*
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
}
  • 从字节码角度来看:为变量 s3 赋值时,直接使用 #16 符号引用,即字符串常量 “ab”
 0 ldc #14 <a>
 2 astore_1
 3 ldc #15 <b>
 5 astore_2
 6 ldc #16 <ab>
 8 astore_3
 9 ldc #16 <ab>
11 astore 4
13 getstatic #3 <java/lang/System.out>
16 aload_3
17 aload 4
19 if_acmpne 26 (+7)
22 iconst_1
23 goto 27 (+4)
26 iconst_0
27 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
30 return
  • IDEA 反编译结果
    第 12 章 字符串常量池 (String Table)、intern()方法、String的内存结构、相关面试题_第13张图片

课后练习

  • 代码
//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
    // 相当于 String s5 = "javaEE" + "hadoop";
    String s5 = s4 + "hadoop";
    System.out.println(s1 == s5);//true
}
  • 字节码指令:ldc #8(带 final 的变量在编译时就已经确定了该变量的值,当做常量来处理)

    final修饰的变量在编译时就确定了值

 0 ldc #8 <javaEEhadoop>
 2 astore_1
 3 ldc #6 <javaEE>
 5 astore_2
 6 new #9 <java/lang/StringBuilder>
 9 dup
10 invokespecial #10 <java/lang/StringBuilder.<init>>
13 aload_2
14 invokevirtual #11 <java/lang/StringBuilder.append>
17 ldc #7 <hadoop>
19 invokevirtual #11 <java/lang/StringBuilder.append>
22 invokevirtual #12 <java/lang/StringBuilder.toString>
25 astore_3
26 getstatic #3 <java/lang/System.out>
29 aload_1
30 aload_3
31 if_acmpne 38 (+7)
34 iconst_1
35 goto 39 (+4)
38 iconst_0
39 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
42 ldc #6 <javaEE>
44 astore 4
46 ldc #8 <javaEEhadoop>
48 astore 5
50 getstatic #3 <java/lang/System.out>
53 aload_1
54 aload 5
56 if_acmpne 63 (+7)
59 iconst_1
60 goto 64 (+4)
63 iconst_0
64 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
67 return

拼接操作append 操作的效率对比

  • 体会执行效率:通过StringBuilder的append()的方式添加字符串的效率要远高于使用String的字符串拼接方式 (+)
  • 分析原因:
    • StringBuilder的append()的方式:
      • 自始至终中只创建过一个StringBuilder的对象
      • 使用String的字符串拼接方式:创建过多个StringBuilder和String的对象
    • String的字符串拼接 ( + )的方式:
      • 内存中由于创建了较多的StringBuilder和String的对象,内存占用更大;
      • 如果进行GC,需要花费额外的时间。
  • 改进的空间:
    • 在实际开发中,如果基本确定要前前后后添加的字符串长度不高于某个限定值highLevel的情况下,建议使用构造器实例化:
    • StringBuilder s = new StringBuilder(highLevel);

代码

@Test
public void test6(){

    long start = System.currentTimeMillis();

    // method1(100000);//4014
    method2(100000);//7

    long end = System.currentTimeMillis();

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

public void method1(int highLevel){
    String src = "";
    for(int i = 0;i < highLevel;i++){
        src = src + "a";//每次循环都会创建一个StringBuilder、String
    }
}

public void method2(int highLevel){
    //只需要创建一个StringBuilder
    StringBuilder src = new StringBuilder();
    for (int i = 0; i < highLevel; i++) {
        src.append("a");
    }
}

通过字节码分析

  • method1() 方法的字节码指令:
    • 每次 for 循环都会创建一个 StringBuilder 对象
    • 调用 StringBuilder 的 toString() 方法又会创建新的 String 对象
 0 ldc #23
 2 astore_2
 3 iconst_0
 4 istore_3
 5 iload_3
 6 iload_1
 7 if_icmpge 36 (+29)
10 new #9 <java/lang/StringBuilder>
13 dup
14 invokespecial #10 <java/lang/StringBuilder.<init>>
17 aload_2
18 invokevirtual #11 <java/lang/StringBuilder.append>
21 ldc #14 <a>
23 invokevirtual #11 <java/lang/StringBuilder.append>
26 invokevirtual #12 <java/lang/StringBuilder.toString>
29 astore_2
30 iinc 3 by 1
33 goto 5 (-28)
36 return
  • method2() 方法的字节码指令:
 0 new #9 <java/lang/StringBuilder>
 3 dup
 4 invokespecial #10 <java/lang/StringBuilder.<init>>
 7 astore_2
 8 iconst_0
 9 istore_3
10 iload_3
11 iload_1
12 if_icmpge 28 (+16)
15 aload_2
16 ldc #14 <a>
18 invokevirtual #11 <java/lang/StringBuilder.append>
21 pop
22 iinc 3 by 1
25 goto 10 (-15)
28 return

关于 StringBuilder 构造器

  • StringBuilder 构造器:可传入一个 int 类型的变量,用于初始化内部的 char[] 数组
public StringBuilder(int capacity) {
	super(capacity);
}
  • AbstractStringBuilder(StringBuilder 的父类)的构造器
AbstractStringBuilder(int capacity) {
    value = new char[capacity];
}

5、intern() 的使用

5.1、intern() 方法的说明

intern() 方法的说明

public native String intern();

关于 intern() 方法的说明

  • intern是一个native方法,调用的是底层C的方法
  • 字符串池最初是空的,由String类私有地维护。在调用intern方法时 :
    • 如果池中已经包含了由equals(object)方法确定的与该字符串对象相等的字符串,则返回池中的字符串。
    • 否则该字符串对象将被添加到池中,并返回对该字符串对象的引用。
  • 创建字符串后, 将字符串放到字符串常量池的两种方式 :
    • String str = "abc" 的这种字面量方式
    • 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。比如:
    String myInfo = new string("I love guizy").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)

5.2、new String() 的说明

new String(“ab”)会创建几个对象?

  • new String("ab")会创建几个对象?看字节码,就知道是两个。
    • 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"。 字节码指令:ldc

代码

/**
 * 题目:
 * new String("ab")会创建几个对象?看字节码,就知道是两个。
 *     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"。 字节码指令:ldc
 *
 * @author shkstart  shkstart@126.com
 * @create 2020  20:38
 */
public class StringNewTest {
    public static void main(String[] args) {
        String str = new String("ab");
    }
}
  • 字节码指令
 0 new #2 <java/lang/String>
 3 dup
 4 ldc #3 <ab>
 6 invokespecial #4 <java/lang/String.<init>>
 9 astore_1
10 return
  • 0 new #2在堆中创建了一个 String 对象
  • 4 ldc #3在字符串常量池中放入 “ab”(如果之前字符串常量池中没有 “ab” 的话)

第 12 章 字符串常量池 (String Table)、intern()方法、String的内存结构、相关面试题_第14张图片

new String(“a”) + new String(“b”) 会创建几个对象?

  • new String(“a”) + new String(“b”)呢?
    • 对象1:new StringBuilder() —> 拼接符号底层创建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"
  • 深入剖析: StringBuilder的toString(), 会创建一个new String对象
    • 对象6 :new String(“ab”)
      • 但是强调一下,toString()的调用, 这个new String("ab"),在字符串常量池中,没有生成"ab"

代码

/**
 * 思考:
 * new 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"
 *
 *  深入剖析: StringBuilder的toString():
 *      对象6 :new String("ab")
 *      强调一下,toString()的调用,在字符串常量池中,没有生成"ab"
 *
 * @author shkstart  shkstart@126.com
 * @create 2020  20:38
 */
public class StringNewTest {
    public static void main(String[] args) {
        String str = new String("a") + new String("b");
    }
}
  • 字节码指令
 0 new #2 <java/lang/StringBuilder>
 3 dup
 4 invokespecial #3 <java/lang/StringBuilder.<init>>
 7 new #4 <java/lang/String>
10 dup
11 ldc #5 <a>
13 invokespecial #6 <java/lang/String.<init>>
16 invokevirtual #7 <java/lang/StringBuilder.append>
19 new #4 <java/lang/String>
22 dup
23 ldc #8 <b>
25 invokespecial #6 <java/lang/String.<init>>
28 invokevirtual #7 <java/lang/StringBuilder.append>
31 invokevirtual #9 <java/lang/StringBuilder.toString>
34 astore_1
35 return
  • 字节码指令分析:
    • 0 new #2 :拼接字符串会创建一个 StringBuilder 对象
    • 7 new #4 :创建 String 对象,对应于 new String(“a”)
    • 11 ldc #5 :在字符串常量池中放入 “a”(如果之前字符串常量池中没有 “a” 的话)
    • 19 new #4 :创建 String 对象,对应于 new String(“b”)
    • 23 ldc #8 :在字符串常量池中放入 “b”(如果之前字符串常量池中没有 “b” 的话)
    • 31 invokevirtual #9 :调用 StringBuilder 的 toString() 方法,会生成一个 String 对象

第 12 章 字符串常量池 (String Table)、intern()方法、String的内存结构、相关面试题_第15张图片


深入剖析 StringBuilder 的toString() 方法

  • toString() 方法
@Override
public String toString() {
    // Create a copy, don't share the array
    return new String(value, 0, count);
}
  • value 是个 char[] 数组
char[] value;

5.3、有点难的面试题

有点难的面试题

如何保证变量s指向的是字符串常量池中的数据呢?有两种方式:

  • 方式一: String s = “shkstart”; 字面量定义的方式
  • 方式二: 调用intern()
    • String s = new String(“shkstart”).intern();
    • String s = new StringBuilder(“shkstart”).toString().intern();
      • 因为new StringBuilder底层调用toString方法,创建的String对象, 不会再常量池中存放, 所以要再调用intern方法, 放到字符串常量池中

下面代码可能用到:
第 12 章 字符串常量池 (String Table)、intern()方法、String的内存结构、相关面试题_第16张图片

代码

/**
 * 如何保证变量s指向的是字符串常量池中的数据呢?有两种方式:
 * 方式一: String s = "shkstart";//字面量定义的方式
 * 方式二: 调用intern()
 *         String s = new String("shkstart").intern();
 *         String s = new StringBuilder("shkstart").toString().intern();
 *
 * @author shkstart  shkstart@126.com
 * @create 2020  18:49
 */
public class StringIntern {
    public static void main(String[] args) {
    	// 创建了两个对象. 堆中,常量池中
        String s = new String("1");
        s.intern();//这方法其实没啥屌用,调用此方法之前,字符串常量池中已经存在"1"
        String s2 = "1";

        /*
            jdk6:false   jdk7/8:false
            因为 s 指向堆空间中的 "1" ,s2 指向字符创常量池中的 "1"
         */
        System.out.println(s == s2); // false

        // 执行完下一行代码以后,字符串常量池中,是否存在"11"呢?答案:不存在!!
        // 见代码上的图分析
        String s3 = new String("1") + new String("1");//s3变量记录的地址为:new String("11")
        /*
        	s3.intern()的意义: 
            如何理解:jdk6:会在常量池创建了一个新的对象"11",也就有新的地址。
                    jdk7:此时常量池中并没有创建对象"11",而是在常量池中 记录了 指向堆空间中new String("11")的地址(节省空间)
                    	因为常量池在jdk8也放到了堆中,为了节约堆空间的内存,
                    	s3.intern()的时候,不会创建新的对象"11",而是引用的
                    		是new String("11")的地址
         */
        s3.intern(); // 在字符串常量池中生成"11" /  
        String s4 = "11";//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

        // jdk6:false  jdk7/8:true
        System.out.println(s3 == s4);
    }
}

第 12 章 字符串常量池 (String Table)、intern()方法、String的内存结构、相关面试题_第17张图片

上面代码内存分析

  • JDK6 :正常眼光判断即可
    • new String() 即在堆中
    • str.intern() 则把字符串放入常量池中

第 12 章 字符串常量池 (String Table)、intern()方法、String的内存结构、相关面试题_第18张图片

  • JDK7/8 :这就有点不一样了
    • new String() 即在堆中
    • str.intern() 则把字符串放入常量池中,出于节省空间的目的,如果 str 不存在于字符串常量池中,则将 str 在堆中的引用存储在字符串常量池中,没错,字符串常量池中存的是 str 在堆中的引用,所以 s3 == s4 为 true

第 12 章 字符串常量池 (String Table)、intern()方法、String的内存结构、相关面试题_第19张图片

面试题的拓展

/**
 * StringIntern.java中练习的拓展:
 *
 * @author shkstart  shkstart@126.com
 * @create 2020  22:10
 */
public class StringIntern1 {
    public static void main(String[] args) {
        //执行完下一行代码以后,字符串常量池中,是否存在"11"呢?答案:不存在!!
        String s3 = new String("1") + new String("1");//new String("11")
        //在字符串常量池中生成对象"11"
        String s4 = "11";
        String s5 = s3.intern();

        // s3 是堆中的 "ab" ,s4 是字符串常量池中的 "ab"
        System.out.println(s3 == s4);//false

        // s5 是从字符串常量池中取回来的引用,当然和 s4 相等
        System.out.println(s5 == s4);//true
    }
}

5.4、intern() 方法的总结

关于 intern() 的总结

  1. JDK1.6中,将这个字符串对象尝试放入串池。
    1. 如果串池中有,则并不会放入。返回已有的串池中的对象的地址
    2. 如果没有,会 把此对象复制一,放入串池,并返回串池中的对象地址
  2. JDK1.7起,将这个字符串对象尝试放入串池。
    • 如果串池中有,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

5.5、intern() 方法的练习

intern() 方法的课后练习

练习 1

  • 代码
/**
 * @author shkstart  shkstart@126.com
 * @create 2020  20:17
 */
public class StringExer1 {
    public static void main(String[] args) {
        //在下一行代码执行完以后,字符串常量池中并没有"ab"
        String s = new String("a") + new String("b");//new String("ab")
        /*
            jdk6中:在串池中创建一个字符串"ab"
            jdk8中:串池中没有创建字符串"ab",而是创建一个引用,指向new String("ab"),将此引用返回; 也就是上面的s
         */
        String s2 = s.intern();
        System.out.println(s2 == "ab");//jdk6:true  jdk8:true
        System.out.println(s == "ab");//jdk6:false  jdk8:true
    }
}
  • JDK 6 中:在串池中创建一个字符串"ab"

第 12 章 字符串常量池 (String Table)、intern()方法、String的内存结构、相关面试题_第20张图片

  • JDK 7/8 中:串池中没有创建字符串"ab",而是创建一个引用,指向new String(“ab”),将此引用返回

第 12 章 字符串常量池 (String Table)、intern()方法、String的内存结构、相关面试题_第21张图片


练习 2

  • 代码
/**
 * @author shkstart  shkstart@126.com
 * @create 2020  20:17
 */
public class StringExer1 {
    public static void main(String[] args) {
        // 在这儿加一句
        String x = "ab";
        
        //在下一行代码执行完以后,字符串常量池中并没有"ab"
        String s = new String("a") + new String("b");//new String("ab")
        /*
            jdk6中:在串池中创建一个字符串"ab"
            jdk8中:串池中没有创建字符串"ab",而是创建一个引用,指向new String("ab"),将此引用返回
         */
        String s2 = s.intern();
        System.out.println(s2 == "ab");//jdk6:true  jdk8:true
        System.out.println(s == "ab");//jdk6:false  jdk8:false
    }
}
  • 内存分析

第 12 章 字符串常量池 (String Table)、intern()方法、String的内存结构、相关面试题_第22张图片


练习 3

  • 代码 1
/**
 *
 * @author shkstart  shkstart@126.com
 * @create 2020  20:26
 */
public class StringExer2 {
    public static void main(String[] args) {
        String s1 = new String("ab");//执行完以后,会在字符串常量池中会生成"ab"
        s1.intern();
        String s2 = "ab";
        System.out.println(s1 == s2); // false
    }
}
  • 代码 2
/**
 *
 * @author shkstart  shkstart@126.com
 * @create 2020  20:26
 */
public class StringExer2 {
    // 对象内存地址可以使用System.identityHashCode(object)方法获取
    public static void main(String[] args) {
        String s1 = new String("a") + new String("b");//执行完以后,不会在字符串常量池中会生成"ab"
        System.out.println(System.identityHashCode(s1));
        s1.intern();
        System.out.println(System.identityHashCode(s1));
        String s2 = "ab";
        System.out.println(System.identityHashCode(s2));
        System.out.println(s1 == s2); // true
    }
}

/* 程序运行结果
    21685669
    21685669
    21685669
    true
*/

5.6、intern() 方法效率测试

intern() 的效率测试

  • 代码
/**
 * 使用intern()测试执行效率:空间使用上
 * 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。
 *
 * @author shkstart  shkstart@126.com
 * @create 2020  21:17
 */
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();
    }
}
  • 直接 new String :由于每个 String 对象都是 new 出来的,所以程序需要维护大量存放在堆空间中的 String 实例,程序内存占用也会变高

第 12 章 字符串常量池 (String Table)、intern()方法、String的内存结构、相关面试题_第23张图片

  • 使用 intern() 方法:由于数组中字符串的引用都指向字符串常量池中的字符串,所以程序需要维护的 String 对象更少,内存占用也更低

第 12 章 字符串常量池 (String Table)、intern()方法、String的内存结构、相关面试题_第24张图片

结论

  1. 对于程序中大量使用存在的字符串时,尤其存在很多已经重复的字符串时,使用intern()方法能够节省内存空间
  2. 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,就会很明显降低内存的大小。

6、StringTable 的垃圾回收

  • 代码
/**
 * String的垃圾回收:
 * -Xms15m -Xmx15m -XX:+PrintStringTableStatistics -XX:+PrintGCDetails
 *
 * @author shkstart  shkstart@126.com
 * @create 2020  21:27
 */
public class StringGCTest {
    public static void main(String[] args) {
        for (int j = 0; j < 100000; j++) {
            String.valueOf(j).intern();
        }
    }
}
  • JVM 参数
-Xms15m -Xmx15m -XX:+PrintStringTableStatistics -XX:+PrintGCDetails
  • 程序日志:
    • 在 PSYoungGen 区发生了垃圾回收
    • Number of entries 和 Number of literals 明显没有 100000
    • 以上两点均说明 StringTable 区发生了垃圾回收
Heap
 PSYoungGen      total 4608K, used 3883K [0x00000000ffb00000, 0x0000000100000000, 0x0000000100000000)
  eden space 4096K, 82% used [0x00000000ffb00000,0x00000000ffe50fb0,0x00000000fff00000)
  from space 512K, 95% used [0x00000000fff00000,0x00000000fff7a020,0x00000000fff80000)
  to   space 512K, 0% used [0x00000000fff80000,0x00000000fff80000,0x0000000100000000)
 ParOldGen       total 11264K, used 228K [0x00000000ff000000, 0x00000000ffb00000, 0x00000000ffb00000)
  object space 11264K, 2% used [0x00000000ff000000,0x00000000ff039010,0x00000000ffb00000)
 Metaspace       used 3472K, capacity 4496K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 381K, capacity 388K, committed 512K, reserved 1048576K
SymbolTable statistics:
Number of buckets       :     20011 =    160088 bytes, avg   8.000
Number of entries       :     14158 =    339792 bytes, avg  24.000
Number of literals      :     14158 =    603200 bytes, avg  42.605
Total footprint         :           =   1103080 bytes
Average bucket size     :     0.708
Variance of bucket size :     0.711
Std. dev. of bucket size:     0.843
Maximum bucket size     :         6
StringTable statistics:
Number of buckets       :     60013 =    480104 bytes, avg   8.000
Number of entries       :     62943 =   1510632 bytes, avg  24.000
Number of literals      :     62943 =   3584040 bytes, avg  56.941
Total footprint         :           =   5574776 bytes
Average bucket size     :     1.049
Variance of bucket size :     0.824
Std. dev. of bucket size:     0.908
Maximum bucket size     :         5

Process finished with exit code 0

String.valueOf() 方法源码

  • String 类的 valueOf() 方法
public static String valueOf(int i) {
    return Integer.toString(i);
}
  • Integer.toString() 方法中执行了 new String() ,即在堆中创建了一个 String 对象
public static String toString(int i) {
    if (i == Integer.MIN_VALUE)
        return "-2147483648";
    int size = (i < 0) ? stringSize(-i) + 1 : stringSize(i);
    char[] buf = new char[size];
    getChars(i, size, buf);
    return new String(buf, true);
}

7、G1 中的 String 去重操作

官方文档

  • http://openjdk.java.net/jeps/192

String 去重操作的背景

  1. 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的String对象有13.5%
    • String对象的平均长度是45
  2. 许多大规模的Java应用的瓶颈在于内存,测试表明,在这些类型的应用里面,Java堆中存活的数据集合差不多25%是String对象。更进一步,这里面差不多一半String对象是重复的,重复的意思是说:
  3. str1.equals(str2)= true。堆上存在重复的String对象必然是一种内存的浪费。这个项目将在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。

String 去重的的具体实现

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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

  1. UseStringDeduplication(bool) :开启String去重,默认是不开启的,需要手动开启。
  2. PrintStringDeduplicationStatistics(bool) :打印详细的去重统计信息
  3. stringDeduplicationAgeThreshold(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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