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在学习Java的过程中,我们会被告知 String 被设计成不可变的类型。为什么 String 会被 Java 开发者有如此特殊的对待?他们的设计意图和设计理念到底是什么?因此,我带着以下三个问题,对
String 进行剖析:

  • String 真的不可变吗?

  • 为什么会将 String 设计为不可变?

  • 如何通过技术实现实现 String 不可变 ?

String 真的不可变?

String 底层实现:

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
    
    //other codes
}

String 的底层实现是依靠 char[] 数组,既然依靠的是基础类型变量,那么他一定是可变的, String 之所以不可变,是因为 Java 的开发者通过技术实现,隔绝了使用者对 String 的底层数据的操作。但是,我们可以同反射的机制,操作 String 的底层,检验其不可变的猜想。

反射的方式操作 String :

        //创建字符串"Hello World", 并赋给引用s  
        String s = "Hello World";   
          
        System.out.println("s = " + s);    // Hello World  
          
        //获取String类中的value字段  
        Field valueFieldOfString = String.class.getDeclaredField("value");  
          
        //改变value属性的访问权限  
        valueFieldOfString.setAccessible(true);  
          
        //获取s对象上的value属性的值  
        char[] value = (char[]) valueFieldOfString.get(s);  
          
        //改变value所引用的数组中的第5个字符  
        value[5] = '_';  
          
        System.out.println("s = " + s);    //Hello_World  

通过两次字符串的输出,我们可以看到,String 被改变了,但是在代码里,几乎不会使用反射的机制去操作 String 字符串,所以,我们会认为 String 类型是不可变的。


为什么会将 String 设计为不可变

  • 安全

    • 引发安全问题,譬如,数据库的用户名、密码都是以字符串的形式传入来获得数据库的连接,或者在socket编程中,主机名和端口都是以字符串的形式传入。因为字符串是不可变的,所以它的值是不可改变的,否则黑客们可以钻到空子,改变字符串指向的对象的值,造成安全漏洞

    • 保证线程安全,在并发场景下,多个线程同时读写资源时,会引竞态条件,由于 String 是不可变的,不会引发线程的问题而保证了线程

    • HashCode,当 String 被创建出来的时候,hashcode也会随之被缓存,hashcode的计算与value有关,若 String 可变,那么 hashcode 也会随之变化,针对于 Map、Set 等容器,他们的键值需要保证唯一性和一致性,因此,String 的不可变性使其比其他对象更适合当容器的键值。

  • 性能

    • 当字符串是不可变时,字符串常量池才有意义。字符串常量池的出现,可以减少创建相同字面量的字符串,让不同的引用指向池中同一个字符串,为运行时节约很多的堆内存。若字符串可变,字符串常量池失去意义,基于常量池的String.intern()方法也失效,每次创建新的 String 将在堆内开辟出新的空间,占据更多的内存

实例代码:

String 的不可变性:

    public static String appendStr(String s){
        s+="bbb";
        return s;
    }

    //可变的StringBuilder
    public static StringBuilder appendSb(StringBuilder sb){
        return sb.append("bbb");
    }

    public static void main(String[] args){
        //String做参数
        String s=new String("aaa");
        String ns=Test.appendStr(s);
        System.out.println("String aaa >>> "+s.toString()); // aaa

        //StringBuilder做参数
        StringBuilder sb=new StringBuilder("aaa");
        StringBuilder nsb=Test.appendSb(sb);
        System.out.println("StringBuilder aaa >>> "+sb.toString()); // aaabbb
    }

String 不可变的技术实现

打开JDK的源码:

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
    
    //other codes
}
  • String 类由关键字 final 修饰,说明该类不可继承

  • char value[] 属性也被 final 所修饰,说明 value 的引用在创建之后,就不能被改变

以上两点并不能完全实现 String 不可变 ,原因在于:

final int[] value={1,2,3}
      int[] another={4,5,6};
value=another;    // 编译器报错,final不可变

value 被 final 修饰,只能保证引用不被改变,但是 value 所指向的堆中的数组,才是真实的数据,只要能够操作堆中的数组,依旧能改变数据。【解释:String实际上是可变的】

final int[] value={1,2,3};
value[2]=100;  //这时候数组里已经是{1,2,100}
  • 所有的成员属性均被 private 关键字所修饰

为了实现 String 不可变,关键在于Java的开发者在设计和开发 String 的过程中,没有暴露任何的内部成员,与此同时 API 的设计是均没有操作 value 的值 , 而是采用 new String() 的方式返回新的字符串,保证了 String 的不可变。

JDK String API 源码:


    public static String valueOf(char c) {
        char data[] = {c};
        return new String(data, true);  //采用 new String() 的方式返回新的字符串
    }
    
    

    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);  //采用 new String() 的方式返回新的字符串
    }
    

整个String设成final禁止继承,避免被其他人继承后破坏。所以String是不可变的关键都在底层的实现,而不是一个final。考验的是工程师构造数据类型,封装数据的功力。

String s = "abcd";
s = "abcdel";

String 不可变性的图示:

clipboard.png


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