【Java原理探索】带你探究String类不可变的特性 | Java开发实战

前提介绍

在Java中String类的使用的频率可谓相当高。它是Java语言中的核心类,在java.lang包下,主要用于字符串的比较、查找、拼接等等操作。如果要深入理解一个类,最好的方法就是看看源码:

什么是字符串

字符串是由引号所括起来的一系列字符序列。

字符串类(String)

/** String 类源码 */ public final class String       implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {     /** The value is used for character storage. */     private final char value[];      /** Cache the hash code for the string */     private int hash; // Default to 0     /** use serialVersionUID from JDK 1.0.2 for interoperability */     private static final long serialVersionUID = -6849794470754667710L;      /**      * Class String is special cased within the Serialization Stream Protocol.      *      * A String instance is written into an ObjectOutputStream according to      * <a href="{@docRoot}/../platform/serialization/spec/output.html">      * Object Serialization Specification, Section 6.2, "Stream Elements"</a>      */     private static final ObjectStreamField[] serialPersistentFields =         new ObjectStreamField[0];         …… } 

从源码中,可以看出以下几点:

  • String类被final关键字修饰,表示String类不能被继承,且它的属性和方法都被 final 所修饰任何操作都会生成新对象。

String:: subString(),String::concat() 等方法都会生成一个新的String对象,不会在原对象上进行操作从下面String源码部分中很容易得到上面的结论 :

  • String类实现了Serializable、CharSequence、 Comparable接口。

String类的值是通过char数组存储的,并且char数组被private和final修饰,字符串一旦创建就不能再修改。

String不可变性

  • String对象一旦被创建就是固定不变的了,对String对象的任何改变都不影响到原对象,相关的任何操作都会生成新的对象。
  • String不可变的表现就是当我们试图对一个已有的对象 “abcd” 赋值为 “abcde”,String 会新创建一个对象。
    【Java原理探索】带你探究String类不可变的特性 | Java开发实战

注意点

这个无法被修改仅仅是指引用地址不可被修改( 也就是说栈里面的这个叫 value 的引用地址不可变 ,编译器不允许我们把 value 指向堆中的另一个地址),并不代表存储在堆中的这个数组本身的内容不可变。
【Java原理探索】带你探究String类不可变的特性 | Java开发实战
那既然我们说String是不可变的,那显然仅仅靠final是远远不够的:

  1. char数组是private的,并且String类没有对外提供修改这个数组的方法,所以它初始化之后外界没有有效的手段去改变它;
  2. String类被final修饰的,首先要讲final修饰类的作用,被final修饰的类不能被继承,类中的所有成员方法都会被隐式地指定为final方法。也就是不能拥有子类,成员方法也不能被重写。
  3. String的所有方法里面,都很小心地避免去修改了char数组中的数据,涉及到对char数组中数据进行修改的操作全部都会重新创建一个String对象。

比如 substring 方法:

public String substring(int beginIndex, int endIndex) {     if (beginIndex < 0) {         throw new StringIndexOutOfBoundsException(beginIndex);     }     if (endIndex > value.length) {         throw new StringIndexOutOfBoundsException(endIndex);     }     int subLen = endIndex - beginIndex;     if (subLen < 0) {         throw new StringIndexOutOfBoundsException(subLen);     }     return ((beginIndex == 0) && (endIndex == value.length)) ? this             : new String(value, beginIndex, subLen); } 

为什么要设计成不可变的呢?

String被设计成不可变就是为了字符串常量池。

  • 字符串常量池的定义

大量频繁的创建字符串,将会极大程度地影响程序的性能,字符串的分配和其他对象分配一样,是需要消耗高昂的时间和空间的,而且字符串我们使用的非常多。JVM为了提高性能和减少内存的开销,所以在实例化字符串的时候使用字符串常量池进行优化。

  • JVM为了提高性能和减少内存开销,在实例化字符串常量的时候进行了一些优化:

字符串开辟了一个字符串常量池 String Pool(HashSet的StringTable),可以理解为缓存区创建字符串常量时,首先检查字符串常量池中是否存在该字符串。

池化思想其实在Java中并不少见,字符串常量池也是类似的思想,当创建字符串时,JVM会首先检查字符串常量池,如果该字符串已经存在常量池中,那么就直接返回常量池中的实例引用。如果字符串不存在常量池中,就会实例化该字符串并且将其放到常量池中 。

堆内存中只会创建一个 String 对象:

String str1 = "hello"; String str2 = "hello"; System.out.println(str1 == str2) // true  

【Java原理探索】带你探究String类不可变的特性 | Java开发实战
String允许被改变,那如果我们修改了 str2 的内容为 good,那么 str1 也会被修改,显然这不是我们想要看见的结果。

new String(“abc”)创建了几个对象?

  • 如果之前"abc"字符串没有使用过,毫无疑问是创建两个对象,堆中创建了一个String对象,字符串常量池创建了一个,一共两个。
  • 如果之前已经使用过了"abc"字符串,则不会再在字符串常量池创建对象,而是从字符串常量缓冲区中获取,只会在堆中创建一个String对象
String s1 = "abc"; String s2 = new String("abc"); //s2这行代码,只会创建一个对象 

String被设计成不可变就是为了安全

  • 作为最基础最常用的数据类型,String 被许多Java类库用来作为参数,如果 String不是固定不变的,安全性考虑。字符串应用场景众多,设计成不可变性可以有效防止字符串被有意篡改
  • String被许多的Java类(库)用来当做参数,比如网络连接地址URL,文件路径path,还有反射机制所需要的String参数等,假若String不是固定不变的,将会引起各种安全隐患。
  • 在多线程环境下,众所周知,多个线程同时想要修改同一个资源,是存在危险的,而String作为不可变对象,不能被修改,并且多个线程同时读同一个资源,是完全没有问题的,所以String是线程安全的。

String被设计成不可变就是为了效率

字符串不变性保证了hash码的唯一性,因此可以放心的进行缓存,这也是一种性能优化手段,意味着不必每次都取计算新的哈希码。

String真的不可变吗?

  • String无非就是改变 char 数组 value 的内容,而 value 是私有属性,那么在 Java中有没有某种手段可以访问类的私有属性呢?
  • 反射,使用反射可以直接修改 char 数组中的内容,当然,一般来说我们不这么做。

看下面代码
【Java原理探索】带你探究String类不可变的特性 | Java开发实战
字符串的replace

public String replace(char oldChar, char newChar) {     if (oldChar != newChar) {         int len = value.length;         int i = -1;         char[] val = value; /* avoid getfield opcode */         while (++i < len) {             if (val[i] == oldChar) {                 break;             }         }         if (i < len) {             char buf[] = new char[len];             for (int j = 0; j < i; j++) {                 buf[j] = val[j];             }             while (i < len) {                 char c = val[i];                 buf[i] = (c == oldChar) ? newChar : c;                 i++;             }             //创建一个新的字符串返回             return new String(buf, true);         }     }     return this; } 

其他方法也是一样,无论是sub、concat还是replace操作都不是在原有的字符串上进行的,而是重新生成了一个新的字符串对象。

字符串拼接

字符串的拼接在Java中是很常见的操作,但是拼接字符串并不是简简单单地使用"+"号即可,还有一些要注意的点,否则会造成效率低下。

public static void main(String[] args) throws Exception {     String s = "";     for (int i = 0; i < 10; i++) {         s+=i;     }     System.out.println(s);//0123456789 } 

在循环内使用+=拼接字符串会有什么问题呢?我们反编译一下看看就知道了。
【Java原理探索】带你探究String类不可变的特性 | Java开发实战

  • 其实反编译后,我们可以看到String类使用"+="拼接的底层其实是使用StringBuilder,先初始化一个StringBuilder对象,然后使用append()方法拼接,最后使用toString()方法得到结果。
  • 问题在于如果在循环体内使用+=拼接,会创建很多临时的StringBuilder对象,拼接后再调用toString()赋给原String对象。这会生成大量临时对象,严重影响性能。

所以在循环体内进行字符串拼接时,建议使用StringBuilder或者StringBuffer类,例子如下:

public static void main(String[] args) throws Exception {     StringBuilder s = new StringBuilder();     for (int i = 0; i < 10; i++) {         s.append(i);     }     System.out.println(s.toString());//0123456789 } 
public String concat(String str) {     int otherLen = str.length();     if (otherLen == 0) {         return this;     }     int len = value.length;     char buf[] = Arrays.copyOf(value, len + otherLen);     str.getChars(buf, len);     return new String(buf, true); } 

StringBuilder和StringBuffer的区别在于,StringBuffer的方法都被