JVM 理論：字符串常量池與 String.intern() 深度解析

JVM 理論：字符串常量池與 String.intern() 深度解析

本文通過 javap -verbose 反編譯字節碼，結合多個案例，深入剖析字符串常量池（String Constant Pool）、CONSTANT_String_info、CONSTANT_Utf8_info 結構，以及 intern() 的運行時行為。

常量池相關結構體

CONSTANT_String_info {
    u1 tag = 8;           // 標識字符串常量
    u2 string_index;      // 指向 CONSTANT_Utf8_info 的索引
}

CONSTANT_Utf8_info {
    u1 tag = 1;           // 標識 UTF-8 編碼字符串
    u2 length;            // 字節數組長度
    u1 bytes[length];     // UTF-8 編碼後的字節數組
}

案例 1：字面量賦值

public class StringDemo {
    private String s1 = "字符串S1";
}

javap -verbose 顯示：

• #15 = Utf8 "字符串S1"（CONSTANT_Utf8_info）
• #2 = String #15（CONSTANT_String_info，string_index=#15）

結論：字面量直接存入類常量池，引用指向 Utf8 結構。

案例 2：相同字面量多次引用

private String s1 = "MyStr1";
private String s2 = "MyStr1";

常量池中僅有一個 Utf8 "MyStr1" 和一個 String #index，s1 和 s2 在編譯期指向同一常量池條目，運行時 s1 == s2 為 true。

案例 3：new String("MyStr1")

private String s1 = new String("MyStr1");

字節碼顯示：

1. 常量池有 Utf8 "MyStr1" 和 String #index。
2. 構造器調用 java/lang/String."":(Ljava/lang/String;)V，在堆上創建新對象。

結果：s1 == "MyStr1" 為 false（堆對象 vs 常量池引用）。

案例 4：綜合對比（含 intern()、static、final、拼接）

public class StringDemo20 {
    private String s1 = "MyStr1";
    private String s2 = "MyStr1";
    private String s3 = "My" + "Str1";           // 編譯期常量折疊
    private String s01 = "My";
    private String s02 = "Str1";
    private String s4 = s01 + s02;               // 運行期拼接，new StringBuilder().append().toString()
    private String s5 = s4.intern();             // 手動入池

    private static String str1 = "MyStr1";
    private static String str2 = "MyStr1";
    private static String str3 = "My" + "Str1";
    private static String str01 = "My";
    private static String str02 = "Str1";
    private static String str4 = str01 + str02;
    private static String str5 = str4.intern();

    private static final String fstr1 = "MyStr1";
    private static final String fstr2 = "MyStr1";
    private static final String fstr3 = "My" + "Str1";
    private static final String fstr01 = "My";
    private static final String fstr02 = "Str1";
    private static final String fstr4 = fstr01 + fstr02;
    private static final String fstr5 = fstr4.intern();

    class InnerDemo { /* 類似字段 */ }

    public static void main(String[] args) {
        StringDemo20 d = new StringDemo20();
        // 大量 == 對比輸出...
    }
}

關鍵結論

intern() 機制

• JDK 6：常量池在 PermGen，intern() 將字符串複製到 PermGen，易 OOM。
• JDK 7+：常量池移至 Heap，intern() 在池中記錄引用，不再複製字符數組，安全高效。
• 調用 intern() 可將運行期動態生成的字符串「入池」，使後續相同內容字符串共享引用。

實戰建議

1. 優先使用字面量或常量表達式，利用編譯期自動入池。
2. 大量重複字符串（如解析 XML/JSON 產生的標籤名）可適度使用 intern() 節省內存。
3. 避免在高頻路徑調用 intern()（有全局鎖開銷），考慮使用 ConcurrentHashMap 自建池。
4. 注意 -XX:StringTableSize（默認 60013）調大以減少哈希衝突。

理解常量池結構與 intern() 語義，是診斷字符串內存問題、優化大規模文本處理的關鍵。