Java中几种常量池(字符串常量池, Class常量池, 运行时常量池)的区别与联系

简介：

这几天在看Java虚拟机方面的知识时，看到了有几种不同常量池的说法，然后我就去CSDN、博客园等上找资料，里面说的内容真是百花齐放，各自争艳，因此，我好好整理了一下，将我自认为对的理解写下来与大家共同探讨：

在Java的内存分配中，总共3种常量池：

1. 字符串常量池(String Constant Pool):

1.1 字符串常量池在Java内存区域的哪个位置？

在JDK6.0及之前版本，字符串常量池是放在Perm Gen区(也就是方法区)中；
在JDK7.0版本，字符串常量池被移到了堆中了。至于为什么移到堆内，大概是由于方法区的内存空间太小了。

1.2 字符串常量池是什么？

在HotSpot VM里实现的string pool功能的是一个StringTable类，它是一个Hash表，默认值大小长度是1009；这个StringTable在每个HotSpot VM的实例只有一份，被所有的类共享。字符串常量由一个一个字符组成，放在了StringTable上。
在JDK6.0中，StringTable的长度是固定的，长度就是1009，因此如果放入String Pool中的String非常多，就会造成hash冲突，导致链表过长，当调用String#intern()时会需要到链表上一个一个找，从而导致性能大幅度下降；
在JDK7.0中，StringTable的长度可以通过参数指定：

-XX:StringTableSize=66666

1.3 字符串常量池里放的是什么？

在JDK6.0及之前版本中，String Pool里放的都是字符串常量；
在JDK7.0中，由于String#intern()发生了改变，因此String Pool中也可以存放放于堆内的字符串对象的引用。关于String在内存中的存储和String#intern()方法的说明，可以参考我的另外一篇博客：

需要说明的是：字符串常量池中的字符串只存在一份, 且被所有线程共享!
如：

String s1 = "hello,world!";
String s2 = "hello,world!";

即执行完第一行代码后，常量池中已存在 “hello,world!”，那么 s2不会在常量池中申请新的空间，而是直接把已存在的字符串内存地址返回给s2。(详细的String内存如何分配, 可以去看我的这篇博客: Java中new一个对象到底经历了什么?我们从内存的方面来分析它们.String定义的两种方式内存怎么安排的_向上的狼的博客-CSDN博客)

全局字符串池里的内容是在类加载完成，经过验证，准备阶段之后在堆中生成字符串对象实例，然后将该字符串对象实例的引用值存到string pool中（记住：string pool中存的是引用值而不是具体的实例对象，具体的实例对象是在堆中开辟的一块空间存放的。）。

2.class常量池(Class Constant Pool)：

2.1 通过反编译字节码验证

2.1.1 测试代码

将下面的测试代码使用javac 编译为 *.class文件

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("hello world");
    }
}

2.1.2 javap反编译*.class字节码

先将示例代码编译为 *.class 文件，然后将class文件反编译为JVM指令码。然后观察 *.class字节码中到底包含了哪些部分。

// ===========================================类的描述信息===============================================
Classfile /xx/xx/xx/xx/HelloWorld.class
  Last modified 2021-10-12; size 569 bytes
  MD5 checksum 7f4f0fe4b6e6d04ddaf30401a7b04f07
  Compiled from "HelloWorld.java"
public class org.memory.jvm.t5.HelloWorld
  minor version: 0
  major version: 49
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
    
// ===========================================常量池===============================================
Constant pool:
   #1 = Methodref          #6.#20         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #21.#22        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #3 = String             #23            // hello world
   #4 = Methodref          #24.#25        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
   #5 = Class              #26            // org/memory/jvm/t5/HelloWorld
   #6 = Class              #27            // java/lang/Object
   #7 = Utf8               <init>
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               LocalVariableTable
  #12 = Utf8               this
  #13 = Utf8               Lorg/memory/jvm/t5/HelloWorld;
  #14 = Utf8               main
  #15 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #16 = Utf8               args
  #17 = Utf8               [Ljava/lang/String;
  #18 = Utf8               SourceFile
  #19 = Utf8               HelloWorld.java
  #20 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
  #21 = Class              #28            // java/lang/System
  #22 = NameAndType        #29:#30        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #23 = Utf8               hello world
  #24 = Class              #31            // java/io/PrintStream
  #25 = NameAndType        #32:#33        // println:(Ljava/lang/String;)V
  #26 = Utf8               org/memory/jvm/t5/HelloWorld
  #27 = Utf8               java/lang/Object
  #28 = Utf8               java/lang/System
  #29 = Utf8               out
  #30 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #31 = Utf8               java/io/PrintStream
  #32 = Utf8               println
  #33 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
                            
// =======================================虚拟机中执行编译的方法===========================================
{
  public org.memory.jvm.t5.HelloWorld();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 7: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lorg/memory/jvm/t5/HelloWorld;
	
  // main方法JVM指令码
  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    // main方法访问修饰符描述
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    // main方法中的代码执行部分
    // ===============================解释器读取下面的JVM指令解释并执行===================================             
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         // 从常量池中符号地址为 #2 的地方，先获取静态变量System.out
         0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         // 从常量池中符号地址为 #3 的地方加载常量 hello world
         3: ldc           #3                  // String hello world
         // 从常量池中符号地址为 #3 的地方获取要执行的方法描述，并执行方法输出hello world
         5: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
         // main方法返回
         8: return
    // ==================================解释器读取上面的JVM指令解释并执行================================
      // 行号映射表
      LineNumberTable:
        line 9: 0
        line 10: 8
      // 局部变量表
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       9     0  args   [Ljava/lang/String;
}

2.1.3 class常量池简介：

我们写的每一个Java类被编译后，就会形成一份class文件；class文件中除了包含类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息就是常量池(constant pool table). 从上面的反编译字节码中可以看到，Class的常量池其实就是一张记录着该类的一些常量、方法描述、类描述、变量描述信息的表。主要用于存放编译器生成的各种字面量(Literal)和符号引用(Symbolic References)；
每个class文件都有一个class常量池。

2.1.4 什么是字面量和符号引用：

字面量包括：1.文本字符串 2.八种基本类型的值 3.被声明为final的常量等;
符号引用包括：1.类和方法的全限定名 2.字段的名称和描述符 3.方法的名称和描述符。

字面量就是我们所说的常量概念，如文本字符串、被声明为final的常量值等。符号引用是一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何形式的字面量，只要使用时能无歧义地定位到目标即可（它与直接引用区分一下，直接引用一般是指向方法区的本地指针，相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄）。

3. 运行时常量池(Runtime Constant Pool)：

运行时常量池存在于内存中，也就是class常量池被加载到内存之后的版本，不同之处是：它的字面量可以动态的添加(String#intern()),符号引用可以被解析为直接引用
JVM在执行某个类的时候，必须经过加载、连接、初始化，而连接又包括验证、准备、解析三个阶段。而当类加载到内存中后，jvm就会将class常量池中的内容存放到运行时常量池中，由此可知，运行时常量池也是每个类都有一个。在解析阶段，会把符号引用替换为直接引用，解析的过程会去查询字符串常量池，也就是我们上面所说的StringTable，以保证运行时常量池所引用的字符串与字符串常量池中是一致的。
运行时常量池是一个统称, 也包括字符串常量池, 但是字符串常量池放的只是字符串, 而运行时常量池放中, 还包括类信息, 属性信息, 方法信息, 以及其他基础类型的常量池比如int, long等;
jdk1.7之前, 运行时常量池(包含着字符串常量池)都在方法区, 具体的hotspot虚拟机实现为永久代;
jdk1.7阶段, 字符串常量池从方法区移到堆中, 运行池常量剩下的部分依旧在方法区中(剩下类信息, 属性信息, 方法信息等), 同样是hotspot中的永久代
jdk1.8, 方法区的实现从永久代变成了元空间, 字符串常量池依旧在堆中, 运行时常量池在方法区中, 这个时候方法区是通过元空间实现的;