本文将介绍 HotSpot 中的 String Pool,字符串常量池。相对是一篇比较简单的文章,大家花几分钟就看完了。

在 Java 世界中,构造一个 Java 对象是一个相对比较重的活,而且还需要垃圾回收,而缓存池就是为了缓解这个问题的。

我们来看下基础类型的包装类的缓存,Integer 默认缓存 -128 ~ 127 区间的值,Long 和 Short 也是缓存了这个区间的值,Byte 只能表示 -127 ~ 128 范围的值,全部缓存了,Character 缓存了 0 ~ 127 的值。Float 和 Double 没有缓存的意义。

Integer 可通过设置 java.lang.Integer.IntegerCache.high 扩大缓存区间

String 不是基础类型,但是它也有同样的机制,通过 String Pool 来缓存 String 对象。假设 “Java” 这个字符串我们会在应用程序中使用多次,我们肯定不希望在每次使用到的时候,都重新在堆中创建一个新的对象。

当然,之所以 Integer、Long、String 这些类的对象可以缓存,是因为它们是不可变类

基础类型包装类的缓存池使用一个数组进行缓存,而 String 类型,JVM 内部使用 HashTable 进行缓存,我们知道,HashTable 的结构是一个数组,数组中每个元素是一个链表。和我们平时使用的 HashTable 不同,JVM 内部的这个 HashTable 是不可以动态扩容的。

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创建和回收

当我们在程序中使用双引号来表示一个字符串时,这个字符串就会进入到 String Pool 中。当然,这里说的是已被加载到 JVM 中的类。

这是一个不够严谨的说法,请参见评论区的讨论。

另外,就是 String#intern() 方法,这个方法的作用就是:

  • 如果字符串未在 Pool 中,那么就往 Pool 中增加一条记录,然后返回 Pool 中的引用。
  • 如果已经在 Pool 中,直接返回 Pool 中的引用。

只要 String Pool 中的 String 对象对于 GC Roots 来说不可达,那么它们就是可以被回收的。

如果 Pool 中对象过多,可能导致 YGC 变长,因为 YGC 的时候,需要扫描 String Pool,可以看看笨神大佬的文章《JVM源码分析之String.intern()导致的YGC不断变长》。

讨论 String Pool 的实现

1、首先,我们先考虑 String Pool 的空间问题。

在 Java 6 中,String Pool 置于 PermGen Space 中,PermGen 有一个问题,那就是它是一个固定大小的区域,虽然我们可以通过 -XX:MaxPermSize=N 来设置永久代的空间大小,但是不管我们设置成多少,它终归是固定的。

所以,在 Java 6 中,我们应该尽量小心使用 String.intern() 方法,否则容易导致 OutOfMemoryError。

到了 Java 7,大佬们已经着手去掉 PermGen Space 了,首先,就是将 String Pool 移到了堆中。

把 String Pool 放到堆中,即使堆的大小也是固定的,但是这个时候,对于应用调优工作,只需要调整堆大小就行了。

到了 Java 8,PermGen 已经被彻底废弃,出现了堆外内存区域 MetaSpace,String Pool 相应的从堆转移到了 MetaSpace 中。

在 Java 8 中,String Pool 依然还是在 Heap Space 中。感谢评论区的读者指出错误。大家可以看一下我后面写的关于 MetaSpace 的文章,那篇文章深入分析了 MetaSpace 的构成。

2、其次,我们再讨论 String Pool 的实现问题。

前面我们说了 String Pool 使用一个 HashTable 来实现,这个 HashTable 不可以扩容,也就意味着极有可能出现单个 bucket 中的链表很长,导致性能降低。

在 Java 6 中,这个 HashTable 固定的 bucket 数量是 1009,后来添加了选项(-XX:StringTableSize=N)可以配置这个值。到 Java 7(7u40),大佬们提高了这个默认值到 60013,Java 8 依然也是使用这个值,对于绝大部分应用来说,这个值是足够用的。当然,如果你会在代码中大量使用 String#intern(),那么有必要手动设置一下这个值。

为什么是 1009,而不是 1000 或者 1024?因为 1009 是质数,有利于达到更好的散列。60013 同理。

JVM 内部的 HashTable 是不扩容的,但是不代表它不 rehash,它会在发现散列不均匀的时候进行 rehash,这里不展开介绍。

3、观察 String Pool 的使用情况。

JVM 提供了 -XX:+PrintStringTableStatistics 启动参数来帮助我们获取统计数据。

遗憾的是,只有在 JVM 退出的时候,JVM 才会将统计数据打印出来,JVM 没有提供接口给我们实时获取统计数据。

SymbolTable statistics:
Number of buckets       :     20011 =    160088 bytes, avg   8.000
Number of entries       :     10923 =    262152 bytes, avg  24.000
Number of literals      :     10923 =    425192 bytes, avg  38.926
Total footprint         :           =    847432 bytes
Average bucket size     :     0.546
Variance of bucket size :     0.545
Std. dev. of bucket size:     0.738
Maximum bucket size     :         6
## 看下面这部分:
StringTable statistics:
Number of buckets       :     60003 =    480024 bytes, avg   8.000
Number of entries       :   4000774 =  96018576 bytes, avg  24.000
Number of literals      :   4000774 = 1055252184 bytes, avg 263.762
Total footprint         :           = 1151750784 bytes
Average bucket size     :    66.676
Variance of bucket size :    19.843
Std. dev. of bucket size:     4.455
Maximum bucket size     :        84

统计数据中包含了 buckets 的数量,总的 String 对象的数量,占用的总空间,单个 bucket 的链表平均长度和最大长度等。

上面的数据是在 Java 8 的环境中打印出来的,Java 7 的信息稍微少一些,主要是没有 footprint 的数据:

StringTable statistics:
Number of buckets       :   60003
Average bucket size     :      67
Variance of bucket size :      20
Std. dev. of bucket size:       4
Maximum bucket size     :      84

测试 String Pool 的性能

接下来,我们来跑个测试,测试下 String Pool 的性能问题,并讨论 -XX:StringTableSize=N 参数的作用。

我们将使用 String#intern() 往字符串常量池中添加 400万 个不同的长字符串。

package com.javadoop;

import java.lang.ref.WeakReference;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.WeakHashMap;

public class StringTest {

    public static void main(String[] args) {
        test(4000000);
    }

    private static void test(int cnt) {
        final List<String> lst = new ArrayList<String>(1024);
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < cnt; ++i) {
            final String str = "Very very very very very very very very very very very very very very " +
                    "very long string: " + i;
            lst.add(str.intern());

            if (i % 200000 == 0) {
                System.out.println(i + 200000 + "; time = " + (System.currentTimeMillis() - start) / 1000.0 + " sec");
                start = System.currentTimeMillis();
            }
        }
        System.out.println("Total length = " + lst.size());
    }
}

我们每插入 20万 条数据,输出一次耗时。

# 编译
javac -d . StringTest.java
# 使用默认 table size (60013) 运行一次
java -Xms2g -Xmx2g com.javadoop.StringTest
# 设置 table size 为 400031,再运行一次
java -Xms2g -Xmx2g -XX:StringTableSize=400031 com.javadoop.StringTest
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从左右两部分数据可以很直观看出来,插入的性能主要取决于链表的平均长度。当链表平均长度为 10 的时候,我们看到性能是几乎没有任何损失的。

还是那句话,根据自己的实际情况,考虑是否要设置 -XX:StringTableSize=N,还是使用默认值。

讨论自建 String Pool

这一节我们来看下自己使用 HashMap 来实现 String Pool。

这里我们需要使用 WeakReference:

private static final WeakHashMap<String, WeakReference<String>> pool
            = new WeakHashMap<String, WeakReference<String>>(1024);

private static String manualIntern(final String str) {
    final WeakReference<String> cached = pool.get(str);
    if (cached != null) {
        final String value = cached.get();
        if (value != null) {
            return value;
        }
    }
    pool.put(str, new WeakReference<String>(str));
    return str;
}

我们使用 1000 * 1000 * 1000 作为入参 cnt 的值进行测试,分别测试 [1] 和 [2]:

private static void test(int cnt) {
    final List<String> lst = new ArrayList<String>(1024);
    long start = System.currentTimeMillis();
    for (int i = 0; i < cnt; ++i) {
          // [1]
        lst.add(String.valueOf(i).intern());
        // [2]
        // lst.add(manualIntern(String.valueOf(i)));

        if (i % 200000 == 0) {
            System.out.println(i + 200000 + "; time = " + (System.currentTimeMillis() - start) / 1000.0 + " sec");
            start = System.currentTimeMillis();
        }
    }
    System.out.println("Total length = " + lst.size());
}

测试结果,2G 的堆大小,如果使用 String#intern(),大概在插入 3000万 数据的时候,开始进入大量的 FullGC。

而使用自己写的 manualIntern(),大概到 1400万 的时候,就已经不行了。

没什么结论,如果要说点什么的话,那就是不要自建 String Pool,没必要。

小结

记住有两个 JVM 参数可以设置:-XX:StringTableSize=N、-XX:+PrintStringTableStatistics

StringTableSize,在 Java 6 中,是 1009;在 Java 7 和 Java 8 中,默认都是 60013,如果有必要请自行扩大这个值。

参考资料

Java Performance Tuning Guide: String.intern in Java 6, 7 and 8 – string pooling

笨神是真正的大佬:JVM源码分析之String.intern()导致的YGC不断变长

原文链接:https://www.javadoop.com/post/string



Java 字符串常量池介绍插图(2)

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