阿里一面:如何将重复性比较高的 String 类型的地址信息从 20GB 降到几百兆?

2024年 4月 15日 77.4k 0

这次应该是互联网及软件行业的第三次寒潮,大家在寒潮中一定要继续保持学习,寒潮挺过去以后还是会迎来新的发展机遇。

有粉丝去阿里面试,跟码哥分享了其中一题面试问题「如何将重复性比较高的 String 类型的地址信息从 20GB 降到几百兆?」。

今天,码哥从多个角度带你完全攻克这个知识点,让面试官眼前一亮。

切入正文......

莫慌,今天给大家见识一下不一样的 String,从根上拿捏直达 G 点。

并且码哥分享一个例子:通过性能调优我们能实现百兆内存轻松存储几十 G 数据。

String对象是我们每天都「摸」的对象类型,但是她的性能问题我们却总是忽略。

爱她,不能只会简单一起玩耍,要深入了解String 的内心深处,做一个「心有猛虎,细嗅蔷薇」的暖男。

通过以下几点分析,我们一步步揭开她的衣裳,直达内心深处,提升一个 Level,让 String 直接起飞。

String 身体解密

想要深入了解,就先从基本组成开始……

「String 缔造者」对 String 对象做了大量优化来节省内存,从而提升 String 的性能:

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Java 6 及之前

数据存储在 char[]数组中,String通过 offset 和 count两个属性定位 char[] 数据获取字符串。

这样可以高效快速的定位并共享数组对象,并且节省内存,但是有可能导致内存泄漏。

共享 char 数组为啥可能会导致内存泄漏呢?

String(int offset, int count, char value[]) {
    this.value = value;
    this.offset = offset;
    this.count = count;
}

public String substring(int beginIndex, int endIndex) {
    //check boundary
    return  new String(offset + beginIndex, endIndex - beginIndex, value);
}

调用 substring() 的时候虽然创建了新的字符串,但字符串的值 value 仍然指向的是内存中的同一个数组,如下图所示:

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如果我们仅仅是用 substring 获取一小段字符,而原始 string字符串非常大的情况下,substring 的对象如果一直被引用。

此时 String 字符串也无法回收,从而导致内存泄露。

如果有大量这种通过 substring 获取超大字符串中一小段字符串的操作,会因为内存泄露而导致内存溢出。

JDK7、8

去掉了 offset 和 count两个变量,减少了 String 对象占用的内存。

substring 源码:

public String(char value[], int offset, int count) {
    this.value = Arrays.copyOfRange(value, offset, offset + count);
}

public String substring(int beginIndex, int endIndex) {
    int subLen = endIndex - beginIndex;
    return new String(value, beginIndex, subLen);
}

substring() 通过 new String() 返回了一个新的字符串对象,在创建新的对象时通过 Arrays.copyOfRange() 深度拷贝了一个新的字符数组。

如下图所示:

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String.substring 方法不再共享 char[]数组的数据,解决了可能内存泄漏的问题。

Java 9

将 char[]字段改为 byte[],新增 coder属性。

码哥,为什么这么改呢?

一个 char 字符占 2 个字节,16 位。存储单字节编码内的字符(占一个字节的字符)就显得非常浪费。

为了节约内存空间,于是使用了 1 个字节占 8 位的 byte 数组来存放字符串。

勤俭节约的女神,谁不爱……

新属性 coder 的作用是:在计算字符串长度或者使用 indexOf()方法时,我们需要根据编码类型来计算字符串长度。

coder 的值分别表示不同编码类型:

  • 0:表示使用 Latin-1 (单字节编码);
  • 1:使用UTF-16。

String 的不可变性

了解了String 的基本组成之后,发现 String 还有一个比外在更性感的特性,她被 final关键字修饰,char 数组也是。

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我们知道类被 final 修饰代表该类不可继承,而 char[]被 final+private 修饰,代表了 String 对象不可被更改。

String 对象一旦创建成功,就不能再对它进行改变。

Chaya:“String class 对象使用 final 修饰有什么好处?”

安全性

当你在调用其他方法时,比如调用一些系统级操作指令之前,可能会有一系列校验。

如果是可变类的话,可能在你校验过后,它的内部的值又被改变了,这样有可能会引起严重的系统崩溃问题。

高性能缓存

String不可变之后就能保证 hash值得唯一性,使得类似 HashMap容器才能实现相应的 key-value 缓存功能。

实现字符串常量池

由于不可变,才得以实现字符串常量池。

字符串常量池指的是在创建字符串的时候,先去「常量池」查找是否创建过该「字符串」;

如果有,则不会开辟新空间创建字符串,而是直接把常量池中该字符串的引用返回给此对象。

创建字符串的两种方式:

  • String str1 = “码哥字节”;
  • String str2 = new String(“码哥字节”);

当代码中使用第一种方式创建字符串对象时,JVM 首先会检查该对象是否在字符串常量池中,如果在,就返回该对象引用。

否则新的字符串将在常量池中被创建,并返回该引用。

这样可以减少同一个值的字符串对象的重复创建,节约内存。

第二种方式创建,在编译类文件时,"码哥字节" 字符串将会放入到常量结构中,在类加载时,“码哥字节" 将会在常量池中创建;

在调用 new 时,JVM 命令将会调用 String 的构造函数,在堆内存中创建一个 String 对象,同时该对象指向「常量池」中的“码哥字节”字符串,str 指向刚刚在堆上创建的 String 对象;

如下图:

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什么是对象和对象引用呀?

str 属于方法栈的字面量,它指向堆中的 String 对象,并不是对象本。

对象在内存中是一块内存地址,str 则是指向这个内存地址的引用。

也就是说 str 并不是对象,而只是一个对象引用。

码哥,字符串的不可变到底指的是什么呀?

String str = "Java";
str = "Java,yyds"

第一次赋值 「Java」,第二次赋值「Java,yyds」,str 值确实改变了,为什么我还说 String 对象不可变呢?

这是因为 str 只是 String 对象的引用,并不是对象本身。

真正的对象依然还在内存中,没有被改变。

优化实战

了解了 String 的对象实现原理和特性,是时候要深入女神内心,结合实际场景,如何更上一层楼优化 String 对象的使用。

大量字符串拼接对象如何优化

既然 String 对象是不可变,所以我们在频繁拼接字符串的时候是否意味着创建多个对象呢?

String str = "癞蛤蟆撩青蛙" + "长的丑" + "玩的花";

上面你的代码,你是不是以为先生成「癞蛤蟆撩青蛙」对象,再生成「癞蛤蟆撩青蛙长的丑」对象,最后生成「癞蛤蟆撩青蛙长得丑玩的花」对象。

实际运行中,只有一个对象生成。

Chaya:这是为什么呢?

虽然代码写的丑陋,但是编译器自动优化了代码。再看下面例子:

String str = "小青蛙";

for(int i=0; i

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