读书笔记——Java虚拟机自动内存管理机制

谭嘉俊
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本文章已授权微信公众号郭霖（guolin_blog）转载。

本文章讲解的内容是Java虚拟机自动内存管理机制。

概述

对于从事C、C++程序开发的开发人员来说，在内存管理领域，他们既拥有每一个对象的“所有权”，又担负着每一个对象生命开始到终结的维护责任。

对于Java程序员来说，在Java虚拟机自动内存管理机制的帮助下，不再需要为每一个new操作去写配对的delete/free代码，不容易出现内存泄漏和内存溢出问题，这看起来一切美好，不过正是因为Java程序员把内存控制的权力交给Java虚拟机，一旦出现内存泄漏和内存溢出的问题的时候，如果不了解Java虚拟机是怎样使用内存的话，那么排查错误将会一项异常艰难的工作。

运行时数据区域

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着Java虚拟机进程的启动而存在，有的区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。根据**《Java虚拟机规范（Java SE 7版）》的规定，Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域**，如下图所示：

JavaVirtualMachineRuntimeDataArea.png

由所有线程共享的数据区：

  • 堆
  • 方法区
  • 直接内存

线程隔离的数据区：

  • 程序计数器
  • 虚拟机栈
  • 本地方法栈

程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型（仅是概念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现）里，字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）都只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为**“线程私有”的内存**。

  • 如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址。
  • 如果线程正在执行的是一个Native方法，这个计数器值则为空（Undefined）。

此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

Java虚拟机栈

与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型，每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等消息。每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

经常有人把Java内存区分为堆内存（Heap）和栈内存（Stack），这种分法比较粗糙，Java内存区域的划分实际上远比这复杂。这种划分方式的流行只能说明大多数程序员最关注的、与对象内存分配关系最密切的内存区域是这两块。其中所指的**“堆”后面会讲到，而所指的栈就是现在讲的Java虚拟机栈中的局部变量表部分**。

局部变量表存放了编译器可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型，它不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。

其中64位长度的long和double类型的数据会占用两个局部变量空间（Slot），其余的数据类型只占用一个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状态：

  • 如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的的深度，将抛出StackOverflowError异常。
  • 如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分的Java虚拟机都可动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机（例如：Sun HotSpot虚拟机）直接就把虚拟机栈和本地方法栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

Java堆

对于大多数应用来说，Java堆（Java Heap）是Java虚拟机所管理的的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。这一点在Java虚拟机规范中描述是：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配，但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所有的对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么**”绝对“**了。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做**”GC堆（Grabage Collected Heap）。从内存回收的角度来看，由于现在收集器基本采用分代收集算法**，所以Java堆中还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。从内存分配的角度来看，线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。不过无论如何划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储的仍然是对象实例，进一步划分的目的是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。

根据Java虚拟机规范的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续即可，就像我们的磁盘一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的**（通过-Xmx和-Xms控制）。如果在堆中没有内存完成实例分配**，并且堆也无法扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区

方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做非堆（Non-Heap），目的应该是与Java堆区分开来。

对于习惯在HotSpot虚拟机上开发、部署程序的开发者来说，很多人都更愿意把方法区称为**“永久代”（Permanent Generation），本质上两者并不等价**，仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队选择把GC分代收集扩展到方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已，这样HotSpot的垃圾收集器可以像管理Java堆一样管理这部分内存，能够省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。对于其他虚拟机（例如：BEA JRockit、IBM J9等等）来说是不存在永久代的概念的。原则上，如何实现方法区属于虚拟机实现细节，不受虚拟机规范约束，但是使用永久代来实现方法区，现在看来并不是一个好主意，因为这样更容易遇到内存溢出问题（永久代有-XX:MaxPermSize的上限，J9和JRockit只要没有触碰到进程可用内存的上限，例如：32系统中的4GB，就不会出现问题），而且有极少数方法（例如：String.intern()）会因为这个原因导致不同虚拟机下有不同的表现。因此，对HotSpot虚拟机，根据官方发布的路线图信息，现在也有放弃永久代并逐步改为采用Native Memory来实现方法区的规划了，在目前已经发布的JDK 1.7的HotSpot中，已经把原本放在永久代的字符串常量池移出。

Java虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，但是并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样**“永久”存在了。这个区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载**，一般来说，这个区域的回收“成绩”比较难令人满意，尤其是类型的加载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收确实是必要的。在Sun公司的BUG列表中，曾出现过的若干个严重的BUG就是由于低版本的HotSpot虚拟机对此区域未完全回收而导致内存泄漏。

根据Java虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需要时，将抛出OutOfMemoryError异常。

运行时常量池

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池（Constant Pool Table），用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

Java虚拟机对Class文件每一部分（自然也包括常量池）的格式都有严格规定，每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求才会被虚拟机认可、装载和执行，但是对于运行时常量池，Java虚拟机规范没有做任何细节的要求，不同的提供商实现的虚拟机可以按照自己的需要来实现这个内存区域。不过，一般来说，除了保存Class文件中描述的符号引用外，还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。

运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，也就是并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的**intern()**方法。

既然运行时常量池是方法区的一部分，自然受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时就会抛出OutOfMemoryError异常。

直接内存

直接内存（Direct Memory）并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域。但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现，所以我们放在这里一起讲解。

在JDK1.4中新加入了NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样就能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

显然，本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但是，既然是内存，肯定还是会受到本机总内存（包括RAM以及SWAP区或者分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制。服务器管理员在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置**-Xmx等参数信息，但是经常忽略直接内存**，使得各个内存区域总和大于物理内存限制（包括物理和操作系统级的限制），从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

HotSpot虚拟机对象探秘

介绍完Java虚拟机的运行时数据区之后，我们大致知道了虚拟机内存的概况，在了解内存放了些什么后，也许就会想更进一步了解这些虚拟机内存中的数据的其他细节，譬如它们是如何创建、如何布局以及如何访问的。对于这样涉及细节的问题，必须把讨论范围限定在具体的虚拟机和集中在某一个内存区域上才有意义。基于实用优先的原则，我以常用的虚拟机HotSpot和常用的内存区域Java堆为例，深入探讨HotSpot虚拟机在Java堆中对象分配、布局和访问的全过程。

对象的创建

Java是一门面向对象的编程语言，在Java程序运行过程中无时无刻都有对象被创建出来。在语言层面上，创建对象（例如：克隆、反序列化）通常仅仅是一个new关键字而已，而在虚拟机中，对象（文章中讨论的对象仅限于普通的Java对象，不包括数组和Class对象等）的创建又是怎样一个过程呢？

虚拟机遇到一条new指令时，首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载、解析和初始化过。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程。

在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定，为对象分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从Java堆中划分出来。假设Java堆中内存时绝对规整的，所有用过的内存都放在一边，空闲的内存放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那所分配内存就仅仅是把那个指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离，这种分配方式成为**“指针碰撞”（Bump the Pointer）。如果Java堆中的内存并不是规整的**，已使用的内存和空闲的内存相互交错，那就没有办法简单地进行指针碰撞了，虚拟机就必须维护一个列表，记录上哪些内存块是可用的，在分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例，并更新列表上的记录，这种分配方式成为**“空闲列表”（Free List）。选择哪种分配方式由Java堆是否规整决定，而Java堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。因此，在使用Serial**、ParNew等带Compact过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞，而使用CMS这种基于Mark-Sweep算法的收集器时，通常采用空闲列表。

除如何划分可用空间之外，还有另外一个需要考虑的问题是对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为，即使是仅仅修改一个指针所指向的位置，在并发情况下也并不是线程安全的，可能出现正在给对象A分配内存，指针还没来得及修改，对象B又同时使用了原来的指针来分配内存的情况。解决这个问题有两种方案：

  • 对分配内存空间的动作进行同步处理——实际上虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性。
  • 把内存分配的动作按照线程划分到不同的空间之中进行，即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。哪个线程要分配内存，就在哪个线程的TLAB上分配，只有TLAB用完并分配新的TLAB时，才需要同步锁定。虚拟机是否使用TLAB，可以通过**-XX:+/-UseTLAB**参数来设定。

内存分配完成后，虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头），如果使用TLAB，这一工作过程也可以提前至TLAB分配时进行。这一步操作保证了对象的实例字段在Java代码中可以不赋初始值就直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

接下来，虚拟机要对对象进行必要的设置，譬如这个对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的GC分代年龄等信息。这些信息存放在对象的对象头（Object Header）之中。根据虚拟机当前的运行状态的不同，例如：是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。

在上面工作都完成后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了，但是从Java程序的视角来看，对象创建才刚刚开始——init方法还没有执行，所有的字段都还为零。所以，一般来说（由字节码中是否跟随invokespecial指令所决定），执行new指令之后会接着执行init方法，把对象按照程序员的意愿进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全生产出来。

总结一下对象的创建过程：

  1. 类加载检查
  2. 分配内存
  3. 初始化零值
  4. 设置对象头
  5. 执行init方法

对象的内存布局

在HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为三块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

对象头

HotSpot虚拟机的对象头包括两部分信息：

  • 第一部分用于存储对象自身的运行时数据，例如：哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机（未开启压缩指针）中分别为32bit和64bit，官方称它为**“Mark Word”。对象需要存储的运行时数据很多**，其实已经超出了32位、64位Bitmap结构所能记录的限度，但是对象头信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本，考虑到虚拟机的空间效率，Mark Word被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存储尽量多的信息，它会根据对象的状态复用自己的存储空间，例如：在32位的HotSpot虚拟机中，如果对象处于未被锁定的状态下，那么Mark Word的32bit空间中的25bit用于存储对象哈希码，4bit用于存储对象分代年龄，2bit用于存储锁标志位，1bit固定为0，而在其他状态（轻量级锁定、重量级锁定、GC标记、可偏向）下对象的存储内容如下图所示：

    HotSpotVirtualMachineObjectHeadMarkWord.png

  • 第二部分是类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针，换句话说，查找对象的元数据信息并不一定要经过对象本身，这点将在下面要讲的对象的访问定位讲解。另外，如果对象是一个Java数组，那在对象头中必须有一块用于记录数组长度的数据，因为虚拟机可以通过普通Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但是从数组的元数据中却无法确定数组的大小。

实例数据

实例数据是对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容。无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的，都需要记录起来。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数（FieldsAllocationStyle）和字段在Java源码中定义顺序的影响。HotSpot虚拟机默认的分配策略为longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops（Ordinary Object Pointers），从分配策略中可以看出，相同宽度的字段总是被分配到一起。在满足这个前提条件的情况下，在父类中定义变量会出现在子类之前。如果CompactFields参数值为true（默认为true），那么子类之中较窄的变量也可能会插入到父类变量的空隙之中。

对齐填充

对齐填充不是必然存在的，也没有特别的定义，它仅仅起着占位符的作用。由于HotSpot VM的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，换句话说，就是对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头部分正好是8字节的倍数（1倍或者2倍），因此，当对象实例数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。

对象的访问定位

建立对象是为了使用对象，我们的Java程序需要通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。由于reference类型在Java虚拟机规范中只规定一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该通过何种方式去定位、访问堆中对象的具体位置，所以对象访问方式也是取决于虚拟机实现而定的。目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种：

  • 如果使用句柄访问的话，那么Java堆中将会划分出一块内存来作为句柄池，reference中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息，如下图所示：

    AccessTheObjectThroughTheHandle.png

  • 如果使用直接指针访问的话，那么Java堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，而reference中存储的直接就是对象地址，如下图所示：

    AccessingAnObjectThroughADirectPointer.png

这两种对象访问方式各有优势，使用句柄来访问的最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中实例数据指针，而reference本身不需要修改。

使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象的访问在Java中非常频繁，因此这里开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。本文章讨论的虚拟机Sun HotSpot使用的是第二种方式，也就是使用直接指针进行对象访问的，但是从整个软件开发的范围来看，各种语言和框架使用句柄来进行对象访问也是十分常见的。

题外话

我想聊一下Java基本数据类型包装类常量池和String类型常量池。

Java基本数据类型包装类常量池

Java基本数据类型中的byte、short、int、long、boolean、char的包装类使用了常量池，它们只在**[-128, 127]范围内使用相应类型的缓存数据**，超出这个范围的就会创建新的对象，而float和double的包装类没有使用常量池。

举个例子，代码如下所示：

/**
 * Created by TanJiaJun on 2020/6/26.
 */
public class ConstantPoolTest {

    public static void main(String[] args) {
         Integer i1 = 3;
         Integer i2 = 4;
         Integer i3 = 7;
         Integer i4 = 7;
         Integer i5 = 777;
         Integer i6 = 777;
         Integer i7 = new Integer(3);
         Integer i8 = new Integer(4);
         Integer i9 = new Integer(7);
         Double d1 = 7.7;
         Double d2 = 7.7;

         System.out.println(i3 == i4);      // true
         System.out.println(i1 + i2 == i3); // true
         System.out.println(i5 == i6);      // false
         System.out.println(i3 == i9);      // false
         System.out.println(i7 + i8 == i9); // true
         System.out.println(i7 + i8 == 7);  // true
         System.out.println(d1 == d2);      // false
    }

}

在Java中，==有两个作用：

  • 比较的是Java基本数据类型的话，就是比较它们的值是否相等。
  • 比较的是引用类型的话，就是比较它们的引用地址是否相同。

解析：

  • i3 == i4，返回true：i3和i4都是Integer类型，它们的值都相等，而且都在**[-128, 127]范围内，所以它们同时使用着常量池中的对象，也就是它们是同一个对象**，因此返回true。
  • i1 + i2 == i3，返回true：i1、i2和i3都是Integer类型，加号不适用于Integer对象，编译器会对i1和i2进行自动拆箱，进行数值相加，然后变成7 == i3，因为i3也是Integer类型，它无法和数值进行直接比较，所以编译器也会对i3进行自动拆箱，最后就变成数值的比较，7 == 7，所以返回true。
  • i5 == i6，返回false：i5和i6都是Integer类型，它们的值都相等，但是不在**[-128, 127]范围内，所以它们都各自创建新的对象，也就是它们不是同一个对象**，因此返回false。
  • i3 == i9，返回false：i3和i9都是Integer类型，i3会使用Integer常量池的对象，而i9会创建新的Integer对象，所以它们不是同一个对象，因此返回false。
  • i7 + i8 == i9，返回true：i7、i8和i9都是Integer类型，加号不适用于Integer对象，编译器会对i7和i8进行自动拆箱，进行数值相加，然后变成7 == i9，因为i9也是Integer类型，它无法和数值进行直接比较，所以编译器也会对i9进行自动拆箱，最后就变成数值的比较，7 == 7，所以返回true。
  • i7 + i8 == 7，返回true：i7、i8都是Integer类型，加号不适用于Integer对象，编译器会对i7和i8进行自动拆箱，进行数值相加，最后变成数值的比较，7 == 7，所以返回true。
  • d1 == d2，返回false：d1和d2都是Double类型，它们的值都相等，但是没有使用常量池，所以它们都各自创建新的对象，也就是它们不是同一个对象，因此返回false。

当声明为如上述示例代码中的i1、i2、i3、i4、i5、i6时，编译器会帮我们自动装箱，调用Integer类的valueOf方法，看下相关的源码，源码如下所示：

// Integer.java
package java.lang;

import java.lang.annotation.Native;

public final class Integer extends Number implements Comparable<Integer> {

    private static class IntegerCache {
        // 缓存的最小值是-128
        static final int low = -128;
        static final int high;
        static final Integer cache[];

        static {
            // 缓存的最大值是127
            int h = 127;
            String integerCacheHighPropValue =
                sun.misc.VM.getSavedProperty("java.lang.Integer.IntegerCache.high");
            if (integerCacheHighPropValue != null) {
                try {
                    int i = parseInt(integerCacheHighPropValue);
                    i = Math.max(i, 127);
                    // 数组的最大大小为Integer.MAX_VALUE
                    h = Math.min(i, Integer.MAX_VALUE - (-low) -1);
                } catch( NumberFormatException nfe) {
                    // 如果不能将该属性解析为int，就忽略它
                }
            }
            high = h;

            cache = new Integer[(high - low) + 1];
            int j = low;
            for(int k = 0; k < cache.length; k++)
                cache[k] = new Integer(j++);

            assert IntegerCache.high >= 127;
        }

        private IntegerCache() {}
    }

    public static Integer valueOf(int i) {
        if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
            return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
        return new Integer(i);
    }

}

可以看到Integer类的valueOf方法，如果是大于等于IntegerCache.low的值（-128），同时小于等于IntegerCache.high的值（127），就会使用IntegerCache，也就是使用缓存，否则就创建新的Integer对象。

这里顺便提一下equals方法，它和**==有什么区别呢？先看下Object类的equals**方法，源码如下所示：

// Object.java
public class Object {

    // 省略部分代码

    public boolean equals(Object obj) {
        return (this == obj);
    }

    // 省略部分代码

}

可以看到equals方法的逻辑就是**==，然后看下Integer类的equals**方法，源码如下所示：

// Integer.java
public final class Integer extends Number implements Comparable<Integer> {

    // 省略部分代码

    // Integer的值
    private final int value;

    // 以int的形式返回该Integer的值
    public int intValue() {
        return value;
    }

    public boolean equals(Object obj) {
        // 判断参数obj是否为Integer类的实例
        if (obj instanceof Integer) {
            // 如果参数obj是Integer类的实例，就调用它的intValue方法得到值，并且判断value是否与该值相等
            return value == ((Integer)obj).intValue();
        }
        // 如果参数obj不是Integer类的实例，就返回false
        return false;
    }

    // 省略部分代码

}

再看下String类的equals方法，源码如下所示：

// String.java
public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {

    // 省略部分代码

    public boolean equals(Object anObject) {
        // 判断参数anObject的引用地址是否与该对象相同
        if (this == anObject) {
            // 如果参数anObject的引用地址与该对象相同，就返回true
            return true;
        }
        // 如果参数anObject的引用地址与该对象不相同，就判断anObject是否为String类的实例
        if (anObject instanceof String) {
            // 强制转成String对象
            String anotherString = (String)anObject;
            int n = length();
            if (n == anotherString.length()) {
                int i = 0;
                // 判断String类型的参数anObject中的每个字符是否与该对象的每个字符相等
                while (n-- != 0) {
                    if (charAt(i) != anotherString.charAt(i))
                            // 如果String类型的参数anObject中的有其中一个字符与该对象的其中一个字符不相等，就返回false
                            return false;
                    i++;
                }
                // 如果String类型的参数anObject中的每个字符都与该对象的每个字符相等，就返回true
                return true;
            }
        }
        // 如果参数anObject不是String类的实例，就返回false
        return false;
    }

    // 省略部分代码

}

可以看到Integer类和String类重写了Object类的equals方法，逻辑也改成判断对应类型的值是否相等。

字符串常量池

在JDK 1.7之后（包括JDK 1.7），字符串常量池从方法区移动到堆。

字面量声明

示例代码如下：

String str = "谭嘉俊";

这种声明方式叫做字面量声明，它是把字符串用双引号包起来，然后赋值给一个变量，这种情况下，它会把字符串放到字符串常量池，然后返回给变量。

new String()

示例代码如下：

String str = new String("谭嘉俊");

使用new String()方法不管在字符串常量池中有没有，它都会在堆中创建一个新的对象。

intern()

源码代码如下：

// String.java
public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {

    // 省略部分代码

    public native String intern();

}

可以看到intern方法是个native方法。

字符串常量池最初是空的，由String类私有地维护，当intern方法被调用的时候，如果当前字符串存在于字符串常量池，判断条件是使用equals方法是返回true的话，就会直接返回这个字符串在字符串常量池的引用，如果不存在，它就会在字符串常量池中创建一个引用，并且指向堆中已存在的字符串，然后返回对应的字符串常量池的引用。

举个例子，代码如下：

/**
 * Created by TanJiaJun on 2020/6/27.
 */
public class StringConstantPoolTest {

    public static void main(String[] args) {
         String str1 = "谭嘉俊";
         String str2 = "谭嘉俊";
         String str3 = new String("谭嘉俊");
         String str4 = new String("谭嘉俊");
         String str5 = "我叫谭嘉俊";
         String str6 = "我叫";
         String str7 = new String(str6 + "谭嘉俊");
         String str8 = new String(str6 + "谭嘉俊");

         System.out.println(str1 == str2); // 1.true
         System.out.println(str3 == str4); // 2.false
         System.out.println(str1 == str3); // 3.false
         str7.intern();
         System.out.println(str5 == str7); // 4.false
         str7 = str7.intern();
         System.out.println(str5 == str7); // 5.true
         str8 = str8.intern();
         System.out.println(str7 == str8); // 6.true
    }

}
  1. str1 == str2，返回true：str1和str2都是字面量声明，而且值相等，所以它们都指向字符串常量池中同一个对象，因此返回true。
  2. str3 == str4，返回false：str3和str4各自都在堆中创建对象，所以它们不是同一个对象，因此返回false。
  3. str1 == str3，返回false：str1是字面量声明，它是从字符串常量池取出来的，str3是在堆中创建对象，所以它们不是同一个对象，因此返回false。
  4. str5 == str7，返回false：虽然str7调用了intern方法，但是没有返回，所以它们还是不是同一个对象，因此返回false。
  5. str5 == str7，返回true：str7调用了intern方法，并且返回给str7，所以它们都指向字符串常量池中同一个对象，因此返回true。
  6. str7 == str8，返回true：前面的逻辑，str7调用了intern方法，str8也调用了intern方法，所以它们都指向字符串常量池中同一个对象，因此返回true。

参考文献：

[1] 周志明，深入理解Java虚拟机（第2版）[M]，机械工业出版社，2013年9月1日，37页~49页

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