Пул констант в Java

223

05 августа 2018, 01:50

Не раз слышал о так называемом пуле констант в языке программирования Java. Знаю о пуле объектов типа String, пуле для типов Byte, Short, Character, Integer, Long и даже Boolean. Также знаю, что мы сами можем определять размер пула типа Integer, если запускать приложение с параметром -Djava.lang.Integer.IntegerCache.high=XX, где XX может колебаться в диапазоне от 127 до (Integer.MAX_VALUE - 129). Весь этот пул представляет собой массив, каждое значение которого является элементом расположенным в порядке числового возрастания и мы можем напрямую обратиться к нему по индексу за константное время O(1). Я прекрасно понимаю, где хранится этот массив. У каждого целочисленного обёрточного типа есть свой вложенный класс такого типа:

private static class WrappingСlassNameCache {...}

Где вместо WrappingСlassNameCache, мы подставляем конкретное имя класса, к примеру, IntegerCache. Внутри это выглядит так:

private static class IntegerCache {
    static final int low = -128;
    static final int high;
    static final Integer cache[];
    static {
        // high value may be configured by property
        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);
                // Maximum array size is Integer.MAX_VALUE
                h = Math.min(i, Integer.MAX_VALUE - (-low) -1);
            } catch( NumberFormatException nfe) {
                // If the property cannot be parsed into an int, ignore it.
            }
        }
        high = h;
        cache = new Integer[(high - low) + 1];
        int j = low;
        for(int k = 0; k < cache.length; k++)
            cache[k] = new Integer(j++);
        // range [-128, 127] must be interned (JLS7 5.1.7)
        assert IntegerCache.high >= 127;
    }

Ну Бог с ним, тут ничего мудрёного нет! А что же такое пул констант? Что он из себя представляет? И вообще где хранятся все константы в Java? Если мы говорим о локальных финализированных переменных, то они хранятся в стековой памяти. Если мы имеем дело со static final полями, то эти поля хранятся в MetaSpace (раньше в PermGen), если мы говорим о реализации JVM HotSpot. Так о каком вообще пуле может идти речь? Как всё это реализовано? Описано в каком-то классе, который поставляется вместе со стандартным API от Oracle (раньше Sun Microsystems) или же это нужно заглядывать в реализацию конкретной JVM и читать JVMS? Подскажите, пожалуйста, надоело, что в которой раз сталкиваюсь с этим понятием и никак не могу понять о чём идёт речь. Всем огромное спасибо за помощь! :)

Answer 1

У каждого класса свой пул констант. Чтобы понять для чего он нужен, разберём простой пример

class Example {
    public void hello() {
        System.out.println("Hello");
    }
}

Скомпилируем

$ javac Example.java

И заглянем внутрь

$ javap -c -v Example.class
public class Example
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #6.#14         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #15.#16        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #3 = String             #17            // Hello
   #4 = Methodref          #18.#19        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
   #5 = Class              #20            // Example
   #6 = Class              #21            // java/lang/Object
   #7 = Utf8               <init>
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               hello
  #12 = Utf8               SourceFile
  #13 = Utf8               Example.java
  #14 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
  #15 = Class              #22            // java/lang/System
  #16 = NameAndType        #23:#24        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #17 = Utf8               Hello
  #18 = Class              #25            // java/io/PrintStream
  #19 = NameAndType        #26:#27        // println:(Ljava/lang/String;)V
  #20 = Utf8               Example
  #21 = Utf8               java/lang/Object
  #22 = Utf8               java/lang/System
  #23 = Utf8               out
  #24 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #25 = Utf8               java/io/PrintStream
  #26 = Utf8               println
  #27 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
{
  public Example();
    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 1: 0
  public void hello();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: ldc           #3                  // String Hello
         5: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
         8: return
      LineNumberTable:
        line 3: 0
        line 4: 8
}

Первое, что представляет интерес - это байткоды метода hello:

 0: getstatic     #2
 3: ldc           #3
 5: invokevirtual #4

Цифры до двоеточия обозначают байт, с которого начинается байткод и его параметры. По шагу видно, что каждая операция - это два байта, один байт на код операции и один байт на параметр. Байткоды могут принимать только параметры фиксированного размера - integer, long, short, byte, character, float, double, reference. Чтобы передать в метод println строку "Hello", надо загрузить в стек ссылку на строку "Hello", а саму строку где-то сохранить. Вот это где-то как раз и есть пул констант. А символы #3 после байткода ldc - ссылка на 3-й элемент в пуле констант.

Constant pool:
   #1 = Methodref          #6.#14         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #15.#16        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #3 = String             #17            // Hello
   #4 = Methodref          #18.#19        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V

Как можно увидеть из этого кусочка пула, его элементы сами часто ссылаются в пул. В частности наша строка под номером 3 ссылается на массив символов под номером 17.

Если говорить о расположении пула констант в памяти JVM, то это один из участков MetaSpace.