面試話癆系列是從技術廣度的角度去回答面試官提的問題，適合萌新觀看！

　　常量在哪裡呀，常量在哪裡，常量在那小朋友的眼睛裡

一、從一道經常問的字串題說起

　　面試官：已知String s1 = "ab"，String s2 = "a" + "b"，String s3 = new String("ab")，求s1、s2、s3的相等情況。

　　進階版的還會將intern()，final String s1 = "ab" 這些情況加進來。

　　相等的判定分為兩種，equals和==。equals我們知道都是相等的，面試話癆（二）中已經詳細描述過了，這裡我們重點來研究下“==”的情況。

　　“==”考驗的是我們對JVM結構和編譯執行過程知識的掌握

二、簡單說下JVM記憶體模型

　　JVM記憶體模型這裡主要說下它存資料的地方，這個地方被稱作執行時資料區，主要分為三個部分：堆，棧，程式計數器。這裡沒有把方法區算作第四個部分，因為方法區只是一個概念。打個比方，JVM是一個房間，堆，棧，程式計數器就是鞋櫃，沙發和床，那麼方法區就是 吃飯的地方。吃飯的地方可以是餐桌，陽臺甚至廁所。

　　不同版本的JDK，方法區實際指代的區域都不一樣。1.6方法區是用永久代實現的，1.7是用永久代和堆，1.8是元空間加堆。方法區比較複雜，我們先把堆，棧，程式計數器熟悉了。

　　我們先來通過一段程式碼，熟悉堆，棧，程式計數器。

public void test() {
  HashMap map = new HashMap();
  String s1 
 
= new String("123"); 
}

　　這段程式碼是如何被執行的？

　　首先得有個執行緒來執行是吧，不論是main的主執行緒，還是通過執行緒池開啟的其他執行緒，執行緒被建立時，都會建立一個執行緒私有的棧和程式計數器。執行緒總會按照順序執行一個或者多個方法，每個方法在被執行時，都會線上程私有的棧中新建一個格子，這個格子被稱作幀。

　　我們都知道棧是一種資料結構，那為什麼這裡要用棧，而不是用佇列呢？因為棧的特點是先進後出，這個跟我們方法呼叫規則一致，當方法一呼叫了方法二，需要方法二執行完成才能返回來執行方法一，即先進後出。

　　棧還分為本地方法棧和虛擬機器棧。本地方法棧執行一些計算機底層C提供的方法，他們都是用native關鍵字修飾的，比如Object內的getClass方法。虛擬機器棧執行java方法。

　　迴歸正題，當某個執行緒呼叫了test()方法時，便會在自己的私有棧中新增一幀。然後逐行執行編譯後的程式碼，並且會用程式計數器記錄程式碼已經執行到哪一行了。

　　為什麼需要程式計數器呢？在面試話癆（三）中，我們講過，CPU因為運算能力太強，所以都是通過時間片輪轉制度同時做很多件事情。如果一個執行緒的時間片用完了，那麼它就會被強行停止，為了保證下一次喚醒它時我們能繼續執行，就需要準確的記住執行緒狀態。棧只能記住執行緒被執行到哪一個方法（幀）了，不能記住執行到方法的哪一行了。

　　所以需要一個程式計數器，方便執行緒被再次喚醒時，準確的恢復執行緒的執行狀態。

　　再說點題外話，發散一下。線上程被強行停止時，會儲存執行緒的最新狀態，爾後線上程被喚醒時，重新載入執行緒的最新狀態，這個過程，被稱為上下文切換。程式計數器就是為了上下文切換而存在的。它的存在增加了空間複雜度，但是換來了CPU的多執行緒執行。上下文切換主要有三種，執行緒間上下文切換，程序間上下文切換，使用者態核心態上下文切換。

　　1. 執行緒間上下文切換。若兩個執行緒屬於不同的程序，那麼此次執行緒間切換就是程序間切換；若是程序內部的兩個執行緒切換，那麼它的速度會快很多。因為執行緒間共享的區域是不用快取再恢復的，只用快取執行緒私有的棧、程式計數器資訊。

　　2. 程序間上下文切換需要儲存大量的資訊，包括使用者態下的虛擬記憶體、棧、堆，還包括核心態下的堆、棧、暫存器。一次切換往往需要浪費掉幾十納秒到幾微妙的時間。

　　3. 核心態使用者態上下文切換。核心態擁有更高的管理許可權，相當於我們平常用cmd時，右鍵選擇了以管理員身份執行。最簡單的，讀取檔案就需要核心態的許可權去讀取。所以當你在程式碼中寫下new FileInputStream(new File("C:/aa.txt")); 時，就存在兩次上下文切換，一次使用者態切換成核心態，讀取到檔案資訊，一次核心態切換回使用者態，將檔案資訊換成使用者態可以直接操作的物件。後續如果需要對外傳輸檔案，也需要用到核心態的許可權去開啟Socket通道。所以就有了一個有關檔案傳輸的優化：零拷貝技術。直接一次下發檔案的拷貝，傳輸命令，CPU會將資料從硬碟中放到記憶體，將記憶體地址傳送到Socket快取區，再呼叫Socket傳送資料，將6次上下文切換優化成2次。

　　在前端中，也有上下文切換的概念，前端中的上下文切換考察的是從一個方法進入另外一個方法後，全域性變數、區域性變數的預載入，以及this指標重定向到何處，和這裡的不一樣。

　　迴歸正題。通過上面的介紹，我們已經知道了執行緒在執行test()方法時，棧、幀、程式計數器是怎麼配合的。並且通過了解先進先出、上下文切換做到了知其然且知其所以然。如果沒有記清楚，建議再看一遍。因為後面還有更復雜的東西需要掌握。

　　我們已經知道了test()方法被載入時的準備工作，那在每一行的執行過程中，JVM是如何工作的？

　　比如HashMap map = new HashMap(); ，這句到底幹了啥？

　　很簡單，第一步，在堆中中開闢一個空間，用於存放new HashMap()。第二步，在test()對應的幀中新建一個區域性map指標，指向堆中的new HashMap(）地址。

　　第一步，new HashMap()在堆中開闢了一個空間。堆其實還分為很多個部分。最老派的分法是，新生代，老年代，永久代，新生代又分為又分為一個伊甸園區和兩個倖存區。伊甸園就是亞當和夏娃偷吃蘋果的那個伊甸園，寓意著萬物之始，所以一般來說，新建的物件都是在這個伊甸園區的。當然如果物件過大，大到伊甸園區的剩餘可用空間裝不下，它會直接建到老年代區，如果老年代也不夠，那就會觸發垃圾回收。

　　第二步，我們都知道，這個map是個區域性變數，區域性變數只在方法內有效，為什麼區域性變數只在方法內有效？就是因為它是被建在幀中的，與幀同生共死。一個幀就是一個方法，當方法被執行完後，幀就需要從執行緒棧中出棧，相應地，幀中的map指標也被丟棄，new HashMap()在堆中建立的空間也會被標記為不可達（沒有存活的指標指向該物件），不可達的物件會在下次GC時被JVM回收（回收前會呼叫finalize方法，具體邏輯面試話癆二中有介紹）。

　　總的來說，棧，堆，程式計數器管的是方法執行過程中的事，垃圾回收管的是方法執行完成之後的事，我們後面細說，剩下的方法執行之前的準備工作，就歸方法區管了。

　　方法區存放著類編譯後的位元組碼，常量，靜態變數等資訊（注意普通的全域性變數，會在類物件被建立時，一起建立在堆中，這也是為什麼靜態變數、常量可以用類直接訪問，而普通的全域性變數需要物件創建出來以後才能訪問的原因）。

　　對於常量，我們這裡需要特別說明。方法區中有個專門的執行時常量池來存放常量，因為常量有不可修改的特性，所以如果常量值相等的引用，可以優化成一個記憶體地址。JVM中不同地方的"ab"和"ab"會被指向同一個地址。

　　另外Byte，Short，Integer，Long，Character這五個基礎類的包裝類的-128至127的值也會直接建立常量池，如Integer i1 = 12; Integer i2 = 12 中，i1和i2就同時指向了常量池中的地址，所以i1 == i2 的結果是true，而-128至127以外的數，指向的就不是一個地址了。

　　方法區jdk1.6中是通過永久代實現的。用永久代的原因是因為懶，想跟堆用一套GC演算法。但是後續發現，方法區中的靜態變數、常量這種資料物件，和普通物件一樣適用於堆的GC演算法，但是對於類編譯後的方法啊，關鍵字啊這些東西，不適應於GC演算法。所以也就有了JDK1.7、JDK1.8中的逐漸將執行時常量池，靜態變數移入堆中，將其他的資訊放入獨立的元空間的操作。元空間就是外部的直接記憶體，堆是JVM的虛擬記憶體。

　　網上一般說的移到元空間的原因有兩個，一是元空間使用實體記憶體，理論上不會再有記憶體溢位的問題（記憶體佔用過高時，cpu會通過強制失效機制將一部分資料放入磁碟，要用該部分資料時再從磁碟載入回記憶體。所以理論上不會再有記憶體溢位，只有可能CPU100%），二是使用直接記憶體，讀取和寫入的速度都會更快。但是我個人覺得，還是因為GC演算法鬧不合，導致了他們的分家。

　　關於常量池還有一些容易記混的知識，這裡一併說下。常量池分為class類常量池和執行時常量池。class類常量池是在編譯後產生的，是放在class檔案中的，是在硬碟中的資料。而執行時常量池是class類常量池被載入到JVM後的資料，是放在記憶體（虛擬記憶體）中的。另外還有個字串常量池，在我看來，字串常量池只是class類常量池或者執行時常量池中的一個小類，它能被單獨提出來說，是因為在JDK優化方法區的過程時，在JDK1.7中優先將字串常量池從執行時常量池中剝離了出來，先轉移到了堆中，爾後，1.8中將剩餘的整個執行時常量池都轉入了堆，那麼也就沒有了單獨的字串常量池。所以我認為，字串常量池應該只是一個JDK1.7中的歷史產物，它之所以還會被提起，就是因為JVM對於字串常量獨特的優化，這個優化也是這道面試題存在的根本原因。

　　以上就是關於JVM記憶體模型的各個部分的介紹。下面我們先試著用這部分知識，解決面試題中的一部分問題吧。

1     public static void main(String[] args) {
2         String s1 = "ab";
3         String s2 = "ab";
4         String s3 = new String("ab");
5         String s4 = new String("ab");
6         System.out.println(s1 == s2);
7         System.out.println(s1 == s3);
8         System.out.println(s3 == s4);
9     }

　　好好想一想，編譯後的class檔案是從哪裡被讀取到了哪裡，執行緒是通過哪兩種結構來記錄程式執行步驟的，為啥是用著兩種結構實現？執行第二行時，是在哪裡建立的物件空間，又是在哪裡儲存了指向該物件的指標？執行第三、四、五行時，是新建立空間還是用老的？最終的判等結果是什麼？

　　為什麼方法內建立的變數是區域性變數？為什麼普通的全域性變數必須通過類的物件去訪問，而類中的靜態變數和常量可以直接通過類名訪問？

　　相同內容的字串常量會指向同一個地址，還有哪些資料會有這種情況？

　　方法區的實現是如何改變的？為什麼會這麼改變？

　　最後，JVM的執行時資料區和執行時常量池的區別什麼？執行時資料區由哪些部分組成，每個部分的作用是什麼？

　　如果能回答出以上的問題，那麼繼續往下看吧，如果回答不出來，你可能有點暈了，建議休息一下再看一遍。

三、簡單說下JVM編譯和裝載

　　下面程式碼的結果是什麼？

    public static void main(String[] args) {
        String s1 = "a" + "b";
        String s2 = "ab";
        System.out.println(s1 == s2);
    }

　　這兩個語句是否相等，主要是要明白JVM的編譯裝載執行過程，主要涉及到編譯和裝載兩步

　　將程式設計師能讀懂的高階程式語言，轉換成計算機能讀懂的二進位制語言，這個過程就是編譯。

　　廣義的編譯的步驟是：詞法分析，語法分析，語義分析，中間程式碼生成及程式碼優化，二進位制程式碼生成。當然因為Java是轉給JVM看的，所以Java中的編譯，最終生成的不是二進位制檔案，而是class檔案（編譯不是一個簡單的事，不信你試著去寫一段程式碼：輸入一段字串，該字串是一段數學運算，包含加、減、乘、除、正號、負號、小括號，求出該運算的最終結果）。

　　編譯的前三步很好記，就跟我們讀英語一樣，先判斷每個單詞拼寫對不對（詞法分析），再判斷單詞的時態對不對（語法分析），再判斷整句的意思是否矛盾（語義分析）。

　　至於中間程式碼生成及程式碼優化，就是編譯器對程式碼的一些補充和調整。通過補充和調整讓程式碼更規範、效能更好。比如int daySecond = 24 * 60 * 60; ，這個編譯後就是int daySecond = 86400; 。因為無論執行時的前後程式碼變數是什麼，daySecond的值都是86400，所以編譯時會將程式碼直接計算成86400，提升執行時的效率。

　　第二步是裝載，裝載是通過雙親委派機制，將類的編譯後資訊放入方法區，然後在堆中建立指向。方法區中放的不止有類的編譯資訊，只是在裝載這一步，只裝載了類的編譯資訊。

　　比如這個“a” + "b"，“a”和“b”都是已知的不會更改的常量，不論“a” + "b"的前後有怎樣的程式碼，它的結果都是“ab”，對於這種程式碼，編譯時肯定就會被優化成“ab”。如圖：

　　左邊為編譯之後的class，“a” + "b"已被合併。

　　通過第一步編譯，我們知道“a” + "b"已經被優化成了"ab"，但這還並不能說明String s1 = "ab"與String s2 = "a" + "b"是"=="的，我們還得看第二步：裝載。

　　裝載就是通過包名+類名獲取到指定類的位元組流，將其放入方法區。方法區中包括類的基本資訊，類編譯後的程式碼，常量，變數。但是在裝載這一步中，只會先將類的基本資訊，類編譯後的程式碼，常量放入方法區。並在堆中新建一個該類的物件，指向了方法區中的類資訊。

　　裝載這一步時，就會將常量放到方法區中的執行時常量池。這裡就用到了上面說過的字串常量池，若字串常量池中已存在相同的字串，則不會生成新的字串。因為常量是不可更改的，所以不用擔心多個指標引用同一個地址時，造成的資料水波。

　　因為在編譯這一步，"a" + "b"被優化成了"ab"，又因為在裝載這一步，又會將內容一致的字串指向同一個地址，所以s1等於s2。

　　同理，大家應該能還快看出以下程式碼的結果

    public static void main(String[] args) {
        String s1 = "ab";
        
        String s2 = "a";
        String s3 = s2 + "b";
        System.out.println(s1 == s3);

        final String s4 = "a";
        String s5 = s4 + "b";
        System.out.println(s1 == s5);
    }

　　希望大家能通過編譯和載入的原理明白為什麼"a" + "b"等於"ab"，也能通過"a" + "b"等於"ab"記住編譯和載入的原理。

四、簡單說下剩下的JVM連結和初始化

　　連結分為了三步

　　① 驗證 ： 校驗類的格式，資料，符號的正確性。驗證時的異常也屬於編譯時異常，與編譯階段的主要區別是，編譯階段是在某個檔案內部驗證語法語義的正確性，連結中的校驗是通過類之間的呼叫關係，鏈起來判斷程式碼的正確性。

　　② 準備： 預載入類的靜態變數，並賦初始值0、null

　　③ 解析： 將類中的符號引用轉換成直接引用，如類A中引用了類B，那麼在編譯時我們並不能確認類B的實際的地址，所以只能先用符號引用佔位，等到解析時再轉換成直接引用

　　初始化主要是將連結的準備階段中的靜態變數，替換成實際的值。以及執行靜態程式碼塊，執行的順序是優先父類的靜態程式碼執行。

　　使用就是利用JVM中的棧、程式計數器、堆，去執行實際的程式碼邏輯，操作對應資料，獲取程式碼結果。

五、總結及發散

　　JVM的相關知識，其實可以通過三個階段來記，使用前，使用中，使用後。

　　使用前需要做好準備，包括校驗程式設計師寫的程式碼，再轉換成JVM能讀懂的程式碼，再根據需要載入當前需要的一部分程式碼，並把一部分可以提前確定的資料初始化。

　　使用中則根據使用前準備好的程式碼和資料，一行一行的執行程式碼。通過棧記錄執行緒，通過棧記錄方法，通過程式計數器記錄執行到哪一行，通過堆記錄程式碼執行過程中所需的資料。

　　使用後則需要有專門的清潔工收拾殘餘垃圾，也就是GC。具體的看後續專門介紹（面試話癆N）。

　　希望大家能夠通過String的幾道面試題，記牢JVM使用前，使用中的過程及原理。