JVM源码剖析之SymbolTable和StringTable

很多读者在观看JVM相关的书籍时会看到SymbolTable和StringTable，书中的三言二语介绍的不是很清楚，并且读者的水平有限，导致无法理解SymbolTable和StringTable。所以特意写此篇图文并茂的文章来彻底理解SymbolTable和StringTable这两张表。

版本信息如下：

jdk版本：jdk8u40

因为Hotspot是c++构成，所以也存在面向对象的思想，也即存在类和对象，所以直接看到SymbolTable和StringTable的类定义即可。src/share/vm/classfile/symbolTable.hpp 文件中

// key为Symbol，value为mtSymbol
class SymbolTable : public Hashtable<Symbol*, mtSymbol> {friend class VMStructs;friend class ClassFileParser;// The symbol tablestatic SymbolTable* _the_table;}
// key为oop，value为mtSymbol
class StringTable : public Hashtable<oop, mtSymbol> {friend class VMStructs;// The string tablestatic StringTable* _the_table;
}

可以非常清楚的看到2者都继承了Hashtable，也更加肯定2者就是一张表。而Hashtable可以理解为Java中HashMap结构（数组+链表+特定条件下的红黑树）。而谈到map结构一定会出现key，value的映射关系。

SymbolTable：key是Symbol，Symbol可以理解为utf8编码的字符信息

SymbolTable：value是mtSymbol，这是一个枚举值，仅仅表示内存的解释，不起实际作用

——————————————————————

StringTable：key是oop，oop可以理解为Java对象地址（实际上存放的就是Java的String对象）

StringTable：value是mtSymbol，这是一个枚举值，仅仅表示内存的解释，不起实际作用

 

既然已经明白SymbolTable和StringTable的大致作用了，那么下面就是源码查看如何使用。

SymbolTable使用

从上文，我们清楚明白SymbolTable中存放的是Symbol对象，而Symbol对象存放的是utf8编码的字符。所以utf8编码的字符来自何处呢？ 

下面从一个很简单的例子来分析

public class demo{public static void main(String[] args)  {System.out.println("123");}
}

简单的查看一下字节码的表示

Constant pool:#1 = Methodref          #6.#15         // java/lang/Object."<init>":()V#2 = Fieldref           #16.#17        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;#3 = String             #18            // 123#4 = Methodref          #19.#20        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V#5 = Class              #21            // demo#6 = Class              #22            // java/lang/Object#7 = Utf8               <init>#8 = Utf8               ()V#9 = Utf8               Code#10 = Utf8               LineNumberTable#11 = Utf8               main#12 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V#13 = Utf8               SourceFile#14 = Utf8               demo.java#15 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V#16 = Class              #23            // java/lang/System#17 = NameAndType        #24:#25        // out:Ljava/io/PrintStream;#18 = Utf8               123#19 = Class              #26            // java/io/PrintStream#20 = NameAndType        #27:#28        // println:(Ljava/lang/String;)V#21 = Utf8               demo#22 = Utf8               java/lang/Object#23 = Utf8               java/lang/System#24 = Utf8               out#25 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;#26 = Utf8               java/io/PrintStream#27 = Utf8               println#28 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
{public static void main(java.lang.String[]);descriptor: ([Ljava/lang/String;)Vflags: (0x0009) ACC_PUBLIC, ACC_STATICCode:stack=2, locals=1, args_size=10: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;3: ldc           #3                  // String 1235: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V8: returnLineNumberTable:line 4: 0line 5: 8
}
SourceFile: "demo.java"

可以看到字节码常量池中存在很多Utf8的字段，那是不是这些常量池中Utf8的字段会解析成Symbol对象呢？抱着疑问，我们看到Hotspot中解析字节码常量池的源码。src/share/vm/classfile/classFileParser.cpp 文件中。

void ClassFileParser::parse_constant_pool_entries(int length, TRAPS) {// 解析常量池，从下标#1开始for (int index = 1; index < length; index++) {// 拿到下标对应的tag，比如拿到Utf8、Class、String、NameAndType等等....u1 tag = cfs->get_u1_fast();// 根据一个字节的tag区分后续。switch (tag) {………… // 省略了其他tag的解析，我们只关心Utf8的解析。case JVM_CONSTANT_Utf8 :{cfs->guarantee_more(2, CHECK);  // utf8_length// 根据长度解析u2  utf8_length = cfs->get_u2_fast();u1* utf8_buffer = cfs->get_u1_buffer();unsigned int hash;// 从SymbolTable中尝试获取，如果存在就直接获取，如果不存在就创建。Symbol* result = SymbolTable::lookup_only((char*)utf8_buffer, utf8_length, hash);if (result == NULL) {names[names_count] = (char*)utf8_buffer;lengths[names_count] = utf8_length;indices[names_count] = index;hashValues[names_count++] = hash;// 把Symbol添加到SymbolTable中// 因为在常量池中最多的就是Utf8项，所以为了优化，这里采用批处理// 如果当前常量池中Utf8项数量每8的倍数就一次性插入一轮。if (names_count == SymbolTable::symbol_alloc_batch_size) {SymbolTable::new_symbols(_loader_data, _cp, names_count, names, lengths, indices, hashValues, CHECK);names_count = 0;}} else {// 添加到常量池中。_cp->symbol_at_put(index, result);}}break;default:classfile_parse_error("Unknown constant tag %u in class file %s", tag, CHECK);break;}}// 把Symbol添加到SymbolTable中// 如果没有批处理，那终究还是得插入。if (names_count > 0) {SymbolTable::new_symbols(_loader_data, _cp, names_count, names, lengths, indices, hashValues, CHECK);}
}

这里解析Utf8项，拿到Utf8的值，上文字节码常量池第#18项的 123 ，尝试去SymbolTable中拿到123对应的Symbol，如果不存在就创建Symbol对象并添加到SymbolTable，如果存在就直接获取Symbol对象放入到常量池对象中。

除了常量池第#18项，还有第#21、#22、#23、#24、#25...... 众多Utf8项。并且其他常量池项最终都是指向到Utf8项，所以也能看明白Utf8项或者说Symbol的作用是啥了。存放类名、字符串数据、方法签名、方法名。一言以蔽之：Utf8项最终会解析成Symbol，而Symbol存放Java程序中所需的元数据、真实数据。而SymbolTable作为一个载体存放所有的Symbol

StringTable使用

还是使用SymbolTable的案例。

public static void main(java.lang.String[]);descriptor: ([Ljava/lang/String;)Vflags: (0x0009) ACC_PUBLIC, ACC_STATICCode:stack=2, locals=1, args_size=10: getstatic     #2                  // 把2号常量池的静态变量押入操作数栈3: ldc           #3                  // 把3号常量池的字符串解析成String对象，并且押入操作数栈5: invokevirtual #4                  // 执行4号常量池的方法，并且消耗2个操作数栈8: return                          LineNumberTable:line 4: 0line 5: 8

 所以，我们需要去源码论证ldc字节码指令如何创建出String对象。这里为了源码简单，使用C++字节码解释器作为了论证。src/share/vm/interpreter/bytecodeInterpreter.cpp 文件

CASE(_ldc):
{…………省略其他的处理ConstantPool* constants = METHOD->constants();switch (constants->tag_at(index).value()) {…………省略其他的处理case JVM_CONSTANT_String:{// 从常量池的对象池中拿对象oop result = constants->resolved_references()->obj_at(index);// 如果不存在if (result == NULL) {// 解析ldc，生成String对象。CALL_VM(InterpreterRuntime::resolve_ldc(THREAD, (Bytecodes::Code) opcode), handle_exception);// 线程变量是可以在线程中任意地方存取，并且线程安全。// 这里把String对象添加到操作数栈中SET_STACK_OBJECT(THREAD->vm_result(), 0);THREAD->set_vm_result(NULL);} else {    // 如果存在就直接添加到操作数栈中。VERIFY_OOP(result);SET_STACK_OBJECT(result, 0);}break;}…………省略其他的处理}UPDATE_PC_AND_TOS_AND_CONTINUE(incr, 1);
}

继续往InterpreterRuntime::resolve_ldc 方法看

IRT_ENTRY(void, InterpreterRuntime::resolve_ldc(JavaThread* thread, Bytecodes::Code bytecode)) {assert(bytecode == Bytecodes::_fast_aldc ||bytecode == Bytecodes::_fast_aldc_w, "wrong bc");ResourceMark rm(thread);methodHandle m (thread, method(thread));Bytecode_loadconstant ldc(m, bci(thread));// 解析oop result = ldc.resolve_constant(CHECK);thread->set_vm_result(result);
}
IRT_ENDoop Bytecode_loadconstant::resolve_constant(TRAPS) const {assert(_method.not_null(), "must supply method to resolve constant");int index = raw_index();ConstantPool* constants = _method->constants();// 解析return constants->resolve_constant_at(index, THREAD);
}oop ConstantPool::resolve_constant_at_impl(constantPoolHandle this_oop, int index, int cache_index, TRAPS) {oop result_oop = NULL;Handle throw_exception;int tag_value = this_oop->tag_at(index).value();switch (tag_value) {…………省略其他的处理case JVM_CONSTANT_String:// 拿到String对象result_oop = string_at_impl(this_oop, index, cache_index, CHECK_NULL);break;…………省略其他的处理}…………省略其他的处理return result_oop;
}oop ConstantPool::string_at_impl(constantPoolHandle this_oop, int which, int obj_index, TRAPS) {// 从常量池中的对象池中尝试拿到缓存对象。oop str = this_oop->resolved_references()->obj_at(obj_index);if (str != NULL) return str;// 拿到ldc指向常量池下标最终对应的Utf8项// 而从上文讲述的SymbolTable可以得知，Utf8项在JVM中使用Symbol对象表示。// 所以这里拿到Symbol对象，而拿到Symbol对象，就拿到了具体数据Symbol* sym = this_oop->unresolved_string_at(which);// 尝试从StringTable中拿到String对象，如果存在就返回，如果不存在就创建并返回。str = StringTable::intern(sym, CHECK_(NULL));// 把对象添加到常量池中的对象池中this_oop->string_at_put(which, obj_index, str);return str;
}

由于调用栈比较深，所以这里对以上的代码做一个总结：

  1. 拿到 ldc 字节码指令指向常量池的代表，拿案例来说，也即拿到下标#3，也即拿到常量池String项
  2. String项指向下标#18 Utf8项
  3. 而从上文讲述的SymbolTable可以得知，Utf8项在JVM中使用Symbol对象表示。所以这里拿到Symbol对象，而拿到Symbol对象，就拿到了具体数据，也即拿到具体数据 123
  4. 拿到Symbol对象后会调用StringTable::intern方法，所以下文继续关注此方法
oop StringTable::intern(Symbol* symbol, TRAPS) {if (symbol == NULL) return NULL;ResourceMark rm(THREAD);int length;// 把utf8字符串转换成unicode编码。jchar* chars = symbol->as_unicode(length);Handle string;oop result = intern(string, chars, length, CHECK_NULL);return result;
}oop StringTable::intern(Handle string_or_null, jchar* name,int len, TRAPS) {// 上文得知，StringTable就是一张hash表。所以这里计算下标。unsigned int hashValue = hash_string(name, len);int index = the_table()->hash_to_index(hashValue);oop found_string = the_table()->lookup(index, name, len, hashValue);// 命中缓存，直接返回if (found_string != NULL) return found_string;// 因为没有命中缓存，所以需要创建一个String对象，并且添加到StringTable中// 在Java堆创建一个String对象。string = java_lang_String::create_from_unicode(name, len, CHECK_NULL);// 把创建出来的String对象，添加到StringTable中。return the_table()->basic_add(index, string, name, len,hashValue, CHECK_NULL);
}

这里就非常明显了，把Symbol对象中的值拿出来，然后去StringTable中尝试命中缓存，如果命中就直接返回。如果没有命中就创建Java的String对象并添加到StringTable中。

所以，一言以蔽之：StringTable 管理了多个Java中String对象。而这些String对象是根据常量池String项对应的Utf8项（Symbol）生成的

SymbolTable和StringTable区别

从上文对SymbolTable和StringTable的介绍完全可以得知，这两张表的职责完全不一样。SymbolTable是存储Java项目中元数据、真实数据。而StringTable是储存Java中String对象。

硬要说有点关联的话，就是StringTable的数据来源于SymbolTable。

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