JVM中常量池和运行时常量池、字符串常量池三者之间的关系

前言

在Java虚拟机（JVM）中，常量池、运行时常量池和字符串常量池是三个相关但又有所区别的概念。下面详细解释这三个概念及其相互的联系。

常量池（Constant Pool）

常量池也被称为 Class 文件常量池，是指每个 Java 类编译后的 .class 文件中的一个表结构，每个类文件（.class 文件）都有一个独立的常量池（Constant Pool）。

它存储了类或接口在编译时已知的各种字面量和符号引用。这些信息包括但不限于：

• 字面量：如整数、浮点数、字符串等。
• 符号引用：如类和接口的全限定名、字段名称和描述符、方法名称和描述符等。这些符号引用在类加载过程中会被解析为直接引用，从而让 JVM 能够准确地定位和调用相关的类、字段和方法。

每个类或接口都有其对应的常量池，它是类加载过程中不可或缺的一部分，用于解析类中的各种引用。

特点：常量池是静态的，在编译阶段就已经确定，存储在 .class 文件中，它是 JVM 后续加载和使用类的重要数据基础。

代码

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

通过反编译查看以上代码的.class文件
输入javap -v HelloWorld.class查看类文件的常量池内容：

Classfile /D:/Test/jvm/out/production/jvm/cn/qf/HelloWorld.class
  Last modified 2024-12-6; size 567 bytes
  MD5 checksum 8efebdac91aa496515fa1c161184e354
  Compiled from "HelloWorld.java"
public class cn.qf.HelloWorld
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
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            // cn/qf//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               Lcn/qf//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               cn/qf/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
{
  public cn.qf.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 4: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcn/qf/HelloWorld;

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: ldc           #3                  // String hello world
         5: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
         8: return
      LineNumberTable:
        line 6: 0
        line 7: 8
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       9     0  args   [Ljava/lang/String;
}
SourceFile: "HelloWorld.java"

重点观察Constant pool

运行时常量池（Runtime Constant Pool）

运行时常量池是每一个类或接口的常量池表的一个运行时表示形式，运行时常量池是方法区的一部分。

在Class 文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有用于存放编译期生成的各种字面量（Literal）和符号引用（Symbolic Reference）的 常量池表(Constant Pool Table) 。

当JVM加载一个类文件时，会将该类的常量池信息(常量池表)加载到方法区内的运行时常量池中。

字符串常量池（String Literal Pool）

字符串常量池是专门用于存放程序中使用String字面量创建的字符串对象的一个特殊区域。

在JDK 6及之前，字符串常量池是运行时常量池的一部分，而JDK 7及之后字符串常量池被移到堆中，因此字符串常量池不再是严格意义上的运行时常量池的一部分。

字符串常量池特别针对字符串进行了优化设计，以实现字符串共享，减少内存占用。
它是一个类似于哈希表（HashTable）的数据结构，在 HotSpot 虚拟机中由StringTable 类实现。

• 作用：节省内存空间，提高性能。
• 位置：与运行时常量池类似，在JDK 7之前位于永久代，在JDK 7及之后被移到了堆中。

运行时常量池和字符串常量池位置变化

JDK1.7 之前，方法区的具体实现是永久代（Permanent Generation），运行时常量池和字符串常量池存放在方法区（永久代）。

JDK 7 开始，字符串常量池和静态变量从永久代中移动到了 Java 堆中，运行时常量池不变。方法区仍然由永久代实现。

这一改变主要是为了避免永久代的内存溢出问题，因为永久代的空间相对较小，且难以进行调优，而堆的管理相对更加灵活。

JDK 8 及以后的版本中，永久代被元空间（Metaspace）所取代(运行时常量池还是在方法区中)，但字符串常量池仍然在堆中。
元空间使用的是本地内存，不再受 JVM 堆内存的限制。方法区由元空间实现，它主要存储类的元数据信息，而字符串常量池独立于元空间，在堆中进行管理。

方法区与永久代和元空间的关系

方法区和永久代以及元空间的关系很像 Java 中接口和类的关系，类实现了接口，这里的类就可以看作是永久代和元空间，接口可以看作是方法区，也就是说永久代以及元空间是 HotSpot 虚拟机对虚拟机规范中方法区的两种实现方式。
并且，永久代是 JDK 1.8 之前的方法区实现，JDK 1.8 及以后方法区的实现变成了元空间。

三者之间的关系

常量池与运行时常量池

常量池是 .class 文件中的静态数据结构，而运行时常量池是常量池在运行时的内存表示。
当类被加载到 JVM 中时，JVM 会将 .class 文件中的常量池信息复制到运行时常量池中，并且对符号引用进行解析和转换。

可以说，运行时常量池是常量池在运行时的具体体现，二者是静态与动态的关系。

运行时常量池与字符串常量池

• 运行时常量池包含了多种类型的常量，而字符串常量池专门用于存储字符串常量。
• 字符串常量池利用运行时常量池的框架，实现了字符串的共享和复用，以节省内存。
• 在JDK 6及之前，字符串常量池是运行时常量池的一部分，而JDK 7及之后字符串常量池被移到堆中，因此字符串常量池不再是严格意义上的运行时常量池的一部分。
• 运行时常量池中存储的是字符串常量的引用，而不是字符串对象本身。字符串对象的实际内容存储在堆中的字符串常量池。
• 例如，当一个类文件中定义了字符串常量 “hello” 时：
  • 运行时常量池中会存储一个指向堆中字符串常量池的引用。
  • 堆中的字符串常量池会存储实际的 String 对象。

例如：

String str1 = "hello";
String str2 = "hello";

在 JDK 7 及以后，当第一次遇到 “hello” 时，会在堆中的字符串常量池创建 “hello” 字符串对象，运行时常量池记录其引用；

第二次遇到 “hello” 时，发现字符串常量池已有该对象，运行时常量池直接复用这个引用，所以 str1 和 str2 引用的是同一个堆中的字符串对象。

总结

• 常量池是.class文件的一部分(每个class文件都有自己独立的常量池)，提供了类或接口在编译时所需的各种常量信息。
• 运行时常量池是JVM方法区中的一部分，当JVM加载一个类文件时，会将该类的常量池信息(常量池表)加载到方法区内的运行时常量池中。
• 字符串常量池特别针对字符串进行了优化设计，以实现字符串共享，减少内存占用。它是一个类似于哈希表（HashTable）的数据结构，在 HotSpot 虚拟机中由 StringTable 类实现。
• JDK 1.7之后运行时常量池在方法区中，字符串常量池在堆中。因此在JDK 6及之前，字符串常量池是运行时常量池的一部分，而JDK 7及之后字符串常量池被移到堆中，因此字符串常量池不再是严格意义上的运行时常量池的一部分。
• 运行时常量池中存储的是字符串常量的引用，而不是字符串对象本身。字符串对象的实际内容存储在堆中的字符串常量池。