Java[1]語言為字符串操作提供了豐富的支持，它將字符串封裝在三個(gè)類中并提供多種字符串操作接口。在Java應(yīng)用程序中，由于對(duì)字符串的使用量比較高，從而使得其需要消耗較大的堆空間。例如在J2EE應(yīng)用服務(wù)器運(yùn)行過程中，約40%的活躍堆空間被用來保存字符串?dāng)?shù)據(jù)[2]。

通過對(duì)Java中字符串操作接口的分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著這些操作的運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生較多的無用字符串，它們不再被Java類封裝并且也不被任何變量引用。這些無用字符串?dāng)?shù)據(jù)將一直停留在活躍堆中，直到Java虛擬機(jī)啟動(dòng)垃圾收集將其回收。而由于字符串?dāng)?shù)據(jù)具有單個(gè)對(duì)象占用空間較小但總體數(shù)量很大的特征，大量的無用字符串?dāng)?shù)據(jù)不僅會(huì)影響堆空間的利用率，并且對(duì)Java虛擬機(jī)垃圾收集的性能有較大影響。

當(dāng)前對(duì)Java中字符串的內(nèi)存管理優(yōu)化方案主要關(guān)注于字符串的使用效率上，如消除常量重復(fù)、延遲分配等技術(shù)[2]，通過修改Java虛擬機(jī)對(duì)字符串分配回收的支持來提高堆中字符串的使用效率。然而這些方案無法處理堆中已經(jīng)成為無用字符串的數(shù)據(jù)，只能等待垃圾收集來處理。

近期編譯時(shí)的獨(dú)立對(duì)象回收策略[3]則專注于在編譯階段對(duì)應(yīng)用程序做分析并插入回收指令以回收無用對(duì)象空間，但是該方案對(duì)Java庫函數(shù)只做保守分析從而無法回收這些無用字符串。為此，本文從對(duì)字符串操作接口的分析出發(fā)，識(shí)別各類操作對(duì)字符串的改變情況以利用獨(dú)立對(duì)象回收策略中的指令插樁技術(shù)來主動(dòng)回收無用字符串對(duì)象，以提高堆空間的利用率、減低垃圾回收的負(fù)擔(dān)、改善Java虛擬機(jī)的性能。

1 Java中字符串的支持與分析

1.1 Java中字符串的支持

Java語言將字符串的表示和操作都封裝在StringBuilder、StringBuffer和String三個(gè)類中。其中前兩個(gè)類指向的字符串是可變的，String類指向的字符串是不變的。這三個(gè)類的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本上一致，以StringBuilder為例，StringBuilder在Java中的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖1可以看出，字符串?dāng)?shù)據(jù)由StringBuilder對(duì)象指向的value域保存，在內(nèi)存空間上反映為兩個(gè)對(duì)象：StringBuilder對(duì)象通過value域指向字符串對(duì)象。由于該類提供常用的可變字符串操作接口且相對(duì)另一個(gè)類StringBuffer具有較高的執(zhí)行效率，對(duì)字符串?dāng)?shù)據(jù)的操作在Java虛擬機(jī)中一般會(huì)將其轉(zhuǎn)換為StringBuilder對(duì)象再做處理。下面以一個(gè)語句示例來說明這一點(diǎn)：

　String s=new String(‘aa’+’bb’+’cc’)；
該語句的語義是將三個(gè)字符串連接在一起并生成一個(gè)String對(duì)象，在Java語言的源程序級(jí)別上不會(huì)出現(xiàn)StringBuilder對(duì)象，但是經(jīng)過編譯器優(yōu)化之后，這條語句實(shí)際被翻譯為下面的字節(jié)碼形式(為簡(jiǎn)化描述，本文以源語言來表示字節(jié)碼的操作)：
StringBuilder t=new StringBuilder(‘aa’)；
t.append(‘bb’)；
t.append(‘cc’)；
String s=t.toString()；

即Java編譯器會(huì)首先創(chuàng)建一個(gè)StringBuilder對(duì)象，完成字符串的連接工作之后再將其轉(zhuǎn)變?yōu)镾tring對(duì)象。由于類似于這種情況的字符串操作較多地出現(xiàn)在輸出方法和字符串創(chuàng)建方法中，所以可推斷出StringBuilder有著較大的使用頻率，故將以其為代表分析其提供的接口對(duì)字符串的影響。

1.2　無用字符串的產(chǎn)生

在上節(jié)的示例中，StringBuilder類提供的append()接口將會(huì)改變value域所指向的字符串，其做法是：新建長(zhǎng)度為連接后字符串長(zhǎng)度之和的字符數(shù)組，分段復(fù)制之后使其成為value域指向的新數(shù)組，而value域指向的原數(shù)組將被丟棄成為無用字符串。

圖2為示例語句中append()接口引起的value域指向字符串變化圖。

從圖2可以看出，在append()接口執(zhí)行過后，對(duì)象的字符數(shù)組將指向新建的字符串’aabb’，原有字符串’aa’將不被任何變量指向而成為無用字符串。

由于StringBuilder類的value域指向的字符串是可變的，在其提供的接口中存在大量類似append()可能對(duì)value域做出改變的接口，如insert()、replace()等。而在Java虛擬機(jī)對(duì)這些接口的調(diào)用頻率較多，表1是基準(zhǔn)測(cè)試程序Jolden[4]的4個(gè)子程序中字符串操作接口調(diào)用次數(shù)以及可能對(duì)value域做出改變的接口調(diào)用次數(shù)對(duì)比。

由表1可以看出，可能對(duì)value域做出改變的調(diào)用次數(shù)占字符串操作接口調(diào)用次數(shù)的22.6%~45.7%，占有不可忽視的比例。下面將深入分析這些可能改變value域的操作接口的具體實(shí)現(xiàn)。