Что такое пул строк Java?
Как следует из названия, пул строк в Java — это пул строк, хранящихся в памяти кучи Java. Мы знаем, что String — это особый класс в java, и мы можем создавать объекты String, используя оператор new, а также предоставляя значения в двойных кавычках.
Пул строк в Java
package com.journaldev.util; public class StringPool < /** * Java String Pool example * @param args */ public static void main(String[] args) < String s1 = "Cat"; String s2 = "Cat"; String s3 = new String("Cat"); System.out.println("s1 == s2 :"+(s1==s2)); System.out.println("s1 == s3 :"+(s1==s3)); >> Вывод вышеуказанной программы:
s1 == s2 :true s1 == s3 :false Рекомендуем прочитать: класс Java String
Сколько строк создается в пуле строк?
Иногда на java-интервью вам задают вопрос о пуле строк. Например, сколько строк создается в приведенном ниже выражении;
String str = new String("Cat"); В приведенном выше выражении будет создана либо 1, либо 2 строки. Если в пуле уже есть строковый литерал \Cat, то в пуле будет создана только одна строка \str. Если в пуле нет строкового литерала \Cat, то он будет сначала создан в пуле, а затем в пространстве кучи, поэтому всего будет создано 2 строковых объекта. Читайте: Java String Interview Questions
Главная
Пул строк — это конкретная реализация JVM концепции string interning.
Когда мы используем двойные кавычки для создания строки, сначала ищется строка в пуле с таким же значением, если находится, то просто возвращается ссылка, иначе создается новая строка в пуле, а затем возвращается ссылка .
Пул строк возможен исключительно благодаря неизменяемости строк в Java и реализации идеи интернирования строк. Пул строк также является примером паттерна Приспособленец (Flyweight).
когда мы используем оператор new , мы принуждаем класс String создать новый объект строки, а затем мы можем использовать метод intern() для того, чтобы поместить строку в пул, или получить из пула ссылку на другой объект String с таким же значением.
Когда метод intern() вызван, если пул строк уже содержит строку, эквивалентную к нашему объекту, что подтверждается методом equals (Object), тогда возвращается ссылка на строку из пула. В противном случае объект строки добавляется в пул и ссылка на этот объект возвращается.
Сборка мусора :
До Java 7 , пул Java String помещался в пространство PermGen , которое имеет фиксированный размер — его нельзя развернуть во время выполнения и не подходит для сборки мусора .
Риск интернирования строк в PermGen (вместо кучи ) заключается в том, что мы можем получить ошибку OutOfMemory от JVM, если интернируем слишком много строк .
Начиная с Java 7, пул Java String хранится в пространстве Heap , собираемым JVM . Преимущество этого подхода заключается в уменьшении риска ошибки OutOfMemory, поскольку строки, на которые нет ссылок, будут удалены из пула, тем самым освобождая память.
работа пула строк :
public class MyStringPool < public static void main(String[] args) < String s1 = "Cat"; // создаем строку и помещаем ее в pool строк String s2 = "Cat"; // создаем строку и помещаем ее в pool строк String s3 = new String("Cat"); // создаем новый обьект (не помещаем его в pool) System.out.println("s1 == s2 :"+(s1==s2)); System.out.println("s1 == s3 :"+(s1==s3)); > > s1 == s2 :true s1 == s3 :false
*.intern() :
String str1 = "first"; String str2 = "first"; String str3 = new String("first"); str3 = str3.intern(); System.out.println(str1 == str2); System.out.println(str2 == str3); System.out.println(str1 == str3); true true true
Полезные ссылки:
- «str».intern() in JavaDoc (Java 8)
- «str».intern() in JavaDoc (Java 7)
- «str».intern() in JavaDoc (Java 6)
Как это работает в мире java. Пул потоков
Основной принцип программирования гласит: не изобретать велосипед. Но иногда, чтобы понять, что происходит и как использовать инструмент неправильно, нам нужно это сделать. Сегодня изобретаем паттерн многопоточного выполнения задач.
Представим, что у вас которая вызывает большую загрузку процессора:
public class Counter < public Double count(double a) < for (int i = 0; i < 1000000; i++) < a = a + Math.tan(a); >return a; > >Мы хотим как можно быстрее обработать ряд таких задач, попробуем*:
public class SingleThreadClient < public static void main(String[] args) < Counter counter = new Counter(); long start = System.nanoTime(); double value = 0; for (int i = 0; i < 400; i++) < value += counter.count(i); >System.out.println(format("Executed by %d s, value : %f", (System.nanoTime() - start) / (1000_000_000), value)); > >На моей тачке с 4 физическими ядрами использование ресурсов процессора top -pid :
Время выполнения 104 сек.
Как вы заметили, загрузка одного процессора на один java-процесс с одним выполняемым потоком составляет 100%, но общая загрузка процессора в пользовательском пространстве составляет всего 2,5%, и у нас есть много неиспользуемых системных ресурсов.
Давайте попробуем использовать больше, добавив больше рабочих потоков:
public class MultithreadClient < public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException < ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(8); Counter counter = new Counter(); long start = System.nanoTime(); List> futures = new ArrayList<>(); for (int i = 0; i < 400; i++) < final int j = i; futures.add( CompletableFuture.supplyAsync( () ->counter.count(j), threadPool )); > double value = 0; for (Future future : futures) < value += future.get(); >System.out.println(format("Executed by %d s, value : %f", (System.nanoTime() - start) / (1000_000_000), value)); threadPool.shutdown(); > >
ThreadPoolExecutor
Для ускорения мы использовали ThreadPool — в java его роль играет ThreadPoolExecutor, который может быть реализован непосредственно или из одного из методов в классе Utilities. Если мы заглянем внутрь ThreadPoolExecutor, мы можем найти очередь:
private final BlockingQueue workQueue;в которой задачи собираются, если запущено больше потоков чем размер начального пула. Если запущено меньше потоков начального размера пула, пул попробует стартовать новый поток:
public void execute(Runnable command) < . if (workerCountOf(c) < corePoolSize) < if (addWorker(command, true)) return; . if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) < . addWorker(null, false); . >>Каждый addWorker запускает новый поток с задачей Runnable, которая опрашивает workQueue на наличие новых задач и выполняет их.
final void runWorker(Worker w)
ThreadPoolExecutor имеет очень понятный javadoc, поэтому нет смысла его перефразировать. Вместо этого, давайте попробуем сделать наш собственный:
public class ThreadPool implements Executor < private final QueueworkQueue = new ConcurrentLinkedQueue<>(); private volatile boolean isRunning = true; public ThreadPool(int nThreads) < for (int i = 0; i < nThreads; i++) < new Thread(new TaskWorker()).start(); >> @Override public void execute(Runnable command) < if (isRunning) < workQueue.offer(command); >> public void shutdown() < isRunning = false; >private final class TaskWorker implements Runnable < @Override public void run() < while (isRunning) < Runnable nextTask = workQueue.poll(); if (nextTask != null) < nextTask.run(); >> > > >Теперь давайте выполним ту же задачу, что и выше, с нашим пулом.
Меняем строку в MultithreadClient:
// ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool (8); ThreadPool threadPool = new ThreadPool (8);Время выполнения практически одинаковое — 15 секунд.
Размер пула потоков
Попробуем еще больше увеличить количество запущенных потоков в пуле — до 100.
ThreadPool threadPool = new ThreadPool(100);Мы можем видеть, что время выполнения увеличилось до 28 секунд — почему это произошло?
Существует несколько независимых причин, по которым производительность могла упасть, например, из-за постоянных переключений контекста процессора, когда он приостанавливает работу над одной задачей и должен переключаться на другую, переключение включает сохранение состояния и восстановление состояния. Пока процессор занято переключением состояний, оно не делает никакой полезной работы над какой-либо задачей.
Количество переключений контекста процесса можно увидеть, посмотрев на csw параметр при выводе команды top.
На 8 потоках:
На 100 потоках:
Как выбрать размер пула?
Размер зависит от типа выполняемых задач. Разумеется, размер пула потоков редко должен быть захардокожен, скорее он должен быть настраиваемый а оптимальный размер выводится из мониторинга пропускной способности исполняемых задач.
Предполагая, что потоки не блокируют друг друга, нет циклов ожидания I/O, и время обработки задач одинаково, оптимальный пул потоков = Runtime.getRuntime().availableProcessors() + 1.
Если потоки в основном ожидают I/O, то оптимальный размер пула должен быть увеличен на отношение между временем ожидания процесса и временем вычисления. Например. У нас есть процесс, который тратит 50% времени в iowait, тогда размер пула может быть 2 * Runtime.getRuntime().availableProcessors() + 1.
Другие виды пулов
- Пул потоков с ограничением по памяти, который блокирует отправку задачи, когда в очереди слишком много задач MemoryAwareThreadPoolExecutor
- Пул потоков, который регистрирует JMX-компонент для контроля и настройки размера пула в runtime.
JMXEnabledThreadPoolExecutor
Исходный код можно найти здесь.
String Pool в Java
Java даёт выбор между примитивными типами данных и объектными. Одни передаются по значению, другие по ссылке. Одни занимают предсказуемое количество памяти, другие не очень (конечно только если Вы не знаете размеры метаинформации класса, для которого хотите произвести расчёт). Под одних память выделяется на стеке, под другие в heap’е. Они сильно отличаются друг от друга
Элементы в пределах своего типа (примитивный или объектный) ведут себя похоже, независимо от конкретного типа данных. Значения int ведут себя так же, как и значения типа short. В объектных типах данных схожая ситуация. Но есть исключения. Например — объектный тип String.
Что такое String?
String — это класс в Java, то есть объектный тип. Он описывает строки и хранит их данные в массиве char.
Оговорка:
Тип char используется в старых версиях Java, например 8-ой. В Java 11 используется уже массив byte’ов.
Сколько памяти занимает String? Примитивный тип char в Java имеет размер 2 byte’а. То есть один символ занимает в памяти 2 байта. Теперь представьте — каждый раз когда мы используем строку в Java, будь-то имя пользователя или ссылку на какой-либо сайт, мы создаём в системе большой массив char. Это занимает память. В объектных типах помимо всех ссылок на объекты и примитивов, память занимает ещё и заголовочная информация класса.
Зачем это знать? Строки — самый популярный тип данных в Java. Огромное количество данных описывается строками. Ещё более интересн тот факт, что строки в одних и тех же программах часто повторяются.
String — это immutable тип. То есть, после создания объекта этого типа поменять его значение нельзя. Отсюда делаем вывод — смысла в создании новых объектов типа String со значениями, для которых объекты уже были созданы — нет. Это не целесообразно, потому что каждый раз выделять память под одно и тоже, что ещё и не возможно изменить — чревато чрезмерным потреблением памяти.
Создатели Java заранее позаботились об этой проблеме и сделали тип String не совсем обычным объектным типом.
Что такое строковый пул?
Строковый пул или String pool — это особое место в heap’е, куда попадают объекты типа String после их создания. Он выполняет функцию кеша строк. Каждый раз, когда Вы создаёте строку, она попадает в строковый пул. Если же на момент создания новой строки пул уже содержит такое же значение, то вместо создания нового объекта возвращается тот, что уже лежит в пуле.
У Вас есть возможность влиять на это поведение и не класть объекты в пул, если требуется.
Как работать со строковым пулом?
Разберёмся с тем как работает String pool на практике.
Обычно строки в Java программах объявляются так:
String text = “Hello World”;
Что происходит в JVM за кадром? Остановитесь и подумайте. Если Вашим ответом будет что-то вроде — «В heap’е будет выделена память под строковый объект и ссылка на него будет возвращена и присвоена локальной переменной text» — Вы правы.
String text = “Hello World”;
String text2 = “Hello World”;
А что произойдёт тут? Если Вы думаете, что на обе локальные переменные будет выделена память в heap’е — Вы ошибаетесь. Именно в этом примере и видно результат работы пула строк.
В Java все строки, объявленные в виде литералов, то есть так:
“My String”
автоматически попадают в строковый пул. Любая попытка объявить новую переменную задав ей значение с помощью литерала приводит к тому, что JVM проверяет наличие такой строки в пуле строк и возвращает объект из него, если объект с таким значением обнаружен.
Как убедиться в том, действительно ли обе переменные указывают на один и тот же объект? Очень просто. Достаточно посмотреть что будет выведено в результате следующей операции:
System.out.println(text == text2);
Не спешите набирать код, я Вам подскажу — ответом будет `true`. Это означает — обе переменные указывают на один и тот же объект.
А как тогда сделать так, чтобы строки в пул не попадали? Это тоже сделать просто. Используйте конструктор явно при создании строк. Вот так:
String text = new String(“text”);
В этом случае, объект типа String будет создан, память под него будет выделена в heap’е, но в строковый пул он не попадёт. Это легко проверяется следующим примером:
String text = “Hello World”;
String text2 = new String(“Hello World”);
System.out.println(text == text2);
Результатом работы кода выше будет `false`, потому что теперь ссылки указывают на два разных объекта.
Ну и наконец, как добавить строку в строковый пул после её создания? Для этого класс String содержит метод под названием `intern()`. Именно он отвечает за сохранение текущего объекта String в пул строк. Пример использования:
String text = “Hello World”;
String text2 = new String(“Hello World”);
System.out.println(text == text2); // выведет falsetext2 = text2.intern(); // попытается положить текущую строку в пул строк, обнаружит что такое значение уже там есть и вернёт объект из строкового пула. То есть тот, на который указывает переменная text
System.out.println(text == text2); // выведет true
Зачем знать о строковом пуле?
Строковый пул несёт не только пользу. Если не знать о его существовании и принципах работы, можно легко получить дыру в безопасности приложения. Сделать это довольно просто — достаточно добавить в пул какой-нибудь пароль или логин. Содержимое строкового пула доступно в memory dump’ах, к которым Вы или кто-то другой может получить доступ.
Надеюсь эта статья поможет Вам писать код более осознанно, ведь, теперь Вы знаете, что за строками в Java стоит String pool.