简谈Java String

 约 14 分钟

前言

前阵子和同事在吃饭时聊起Java的String,觉得自己之前的笔记写的略显零散。故此又重新整理了一下。

String在Java中算是一个有意思的类型,是final类型,因此不可以继承这个类、不能修改这个类。

两个小问题

我们先来看一段代码:

String s = "Hello";
s = s + " world!";

试问:这两行代码执行后,原始的 String 对象中的内容到底变了没有?

答案是没有。因为 String 被设计成不可变(immutable)类,所以它的所有对象都是不可变对象。在 这段代码中,s 原先指向一个 String 对象,内容是 "Hello",然后我们对 s 进行了+操作。这时,s 不指向原来那个对象了, 而指向了另一个 String 对象,内容为"Hello world!",原来那个对象还存在于内存之中,只 是 s 这个引用变量不再指向它了。

通过上面的说明,我们很容易导出另一个结论,如果经常对字符串进行各种各样的修改,或 者说,不可预见的修改,那么使用 String 来代表字符串的话会引起很大的内存开销。因为 String 对象建立之后不能再改变,所以对于每一个不同的字符串,都需要一个 String 对象来 表示。这时,应该考虑使用 StringBuffer类,它允许修改,而不是每个不同的字符串都要生 成一个新的对象。并且,这两种类的对象转换十分容易。

同时,我们还可以知道,如果要使用内容相同的字符串,不必每次都 new 一个 String。例 如我们要在构造器中对一个名叫 s 的 String 引用变量进行初始化,把它设置为初始值,应当这样做:

 public class Demo {
   private String s;
   ...
   public Demo {
     s = "Initial Value";
      }
      ...
      //而非 s = new String("Initial Value");
}

前者每次都会调用构造器,生成新对象,性能低下且内存开销大,并且没有意义,因为 String 对象不可改变,所以对于内容相同的字符串,只要一个 String 对象来表示就可以了。也就 说,多次调用上面的构造器创建多个对象,他们的 String 类型属性 s 都指向同一个对象。 上面的结论还基于这样一个事实:对于字符串常量,如果内容相同,Java 认为它们代表同 一个 String 对象。而用关键字 new 调用构造器,总是会创建一个新的对象,无论内容是否 相同。

再请大家看一段代码:

String s = new String("xyz");

问题:创建了几个 String Object?二者之间有什么区别?

一个或两个

  • ”xyz”对应一个对象,这个对象放在字符串常量池,常量”xyz”不管出现多少遍,都是缓冲区中的那一个。New String 每写一遍,就创建一个新的对象在堆上。
  • 如果以前就用过’xyz’,这句代表就不会 创建”xyz”自己了,直接从字符串常量池拿。

常量池

在Java中,其实有很多常量池相关的概念:

常量池表(constant_pool table)

  • Class文件中存储所有常量(包括字符串)的table
  • 这是Class文件中的内容,还不是运行时的内容,不要理解它是个池子,其实就是Class文件中的字节码指令

运行时常量池(Runtime Constant Pool)

  • JVM内存中方法区的一部分,这是运行时的内容
  • 这部分内容(绝大部分)是随着JVM运行时候,从常量池转化而来,每个Class对应一个运行时常量池
  • 前面说的绝大部分是因为:除了 Class中常量池内容,还可能包括动态生成并加入这里的内容

字符串常量池(String Pool)

  • 这部分也在方法区中,但与Runtime Constant Pool不是一个概念,String Pool是JVM实例全局共享的,全局只有一个
  • JVM规范要求进入这里的String实例叫“被驻留的interned string”,各个JVM可以有不同的实现,HotSpot是设置了一个哈希表StringTable来引用堆中的字符串实例,被引用就是被驻留。

类似这种常量池的思想即涉及到了一个设计模式——享元模式。顾名思义,共享元素。

也就是说:一个系统中如果有多处用到了相同的一个元素,那么我们应该只存储一份此元素,而让所有地方都引用这一个元素

不可变的String

那么为什么要不可变呢?

  • 主要是为了安全与效率。

安全

String被许多的Java类库用来当做参数。例:

  • URL、IP
  • 文件路径path
  • 反射机制所需要的String参数
  • 等等...

假若String不是固定不变的,将会引起各种安全隐患。

效率

在前面提到过常量池的享元模式。这样在拷贝或者创建内容相同对象时,就不必复制对象本身,而是只要引用它即可。这样的开销比起copy object是天差地别的。另外,也就只有不可变对象才能使用常量池,因为可以保证引用同一常量值的多个变量不产生相互影响。

同样也是由于String对象的不可变特性,所以String对象可以自身缓存HashCode。Java中String对象的哈希码被频繁地使用, 比如在hashMap 等容器中。字符串不变性保证了hash码的唯一性,因此可以放心地进行缓存。这也是一种性能优化手段,意味着不必每次都去计算新的哈希码:

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

其他

String 和 StringBuffer

JAVA 平台提供了两个类:String 和 StringBuffer,它们可以储存和操作字符串,即包含多个字符的字符数据。这个 String 类提供了数值不可改变的字符串。而这个 StringBuffer 类提供 的字符串进行修改。当你知道字符数据要改变的时候你就可以使用 StringBuffer。典型地, 你可以使用 StringBuffers 来动态构造字符数据。另外,String 实现了 equals 方法,new String(“abc”).equals(newString(“abc”)的结果为true,而StringBuffer没有实现equals方法, 所以,new StringBuffer(“abc”).equals(newStringBuffer(“abc”)的结果为 false。

接着要举一个具体的例子来说明,我们要把1到100的所有数字拼起来,组成一个串。

StringBuffer sbf = new StringBuffer();
 for(int i=0;i<100;i++){
           sbf.append(i);
    }

上面的代码效率很高,因为只创建了一个 StringBuffer 对象,而下面的代码效率很低,因为 创建了101个对象。

 String str = new String();
   for(int i=0;i<100;i++) {
             str = str + i;
}

在讲两者区别时,应把循环的次数搞成10000,然后用 endTime-beginTime 来比较两者执 行的时间差异。

String 覆盖了 equals 方法和 hashCode 方法,而 StringBuffer没有覆盖 equals 方法和 hashCode 方法,所以,将 StringBuffer对象存储进 Java集合类中时会出现问题

StringBuilder与 StringBuffer

StringBuilder不是线程安全的,但是单线程中中的性能比StringBuffer高。

Demo Code

String对象创建方式

  String str1 = "abcd";
  String str2 = new String("abcd");
  System.out.println(str1==str2);//false

这两种不同的创建方法是有差别的:

  • 第一种方式是在常量池中拿对象
  • 第二种方式是直接在堆内存空间创建一个新的对象。只要使用new方法,便会创建新的对象

连接表达式 +

  1. 只有使用引号包含文本的方式创建的String对象之间使用“+”连接产生的新对象才会被加入字符串池中。
  2. 对于所有包含new方式新建对象(包括null)的“+”连接表达式,它所产生的新对象都不会被加入字符串池中。
String str1 = "str";
String str2 = "ing";

String str3 = "str" + "ing";
String str4 = str1 + str2;
System.out.println(str3 == str4);//false

String str5 = "string";
System.out.println(str3 == str5);//true

连接表达式demo1

public static final String str1 = "ab";
public static final String str2 = "cd";

public static void main(String[] args) {
    String s = str1 + str2;  // 将两个常量用+连接对s进行初始化
    String t = "abcd";
    if (s == t) {
        System.out.println("s等于t,它们是同一个对象");
    } else {
        System.out.println("s不等于t,它们不是同一个对象");
    }
}
  • s等于t,它们是同一个对象
  • A和B都是常量,值是固定的,因此s的值也是固定的,它在类被编译时就已经确定了。也就是说:String s=A+B; 等同于:String s="ab"+"cd";

连接表达式demo2

public static final String str1;
public static final String str2;

static {
    str1 = "ab";
    str2 = "cd";
}

public static void main(String[] args) {
// 将两个常量用+连接对s进行初始化
    String s = str1 + str2;
    String t = "abcd";
    if (s == t) {
        System.out.println("s等于t,它们是同一个对象");
    } else {
        System.out.println("s不等于t,它们不是同一个对象");
    }
}
  • s不等于t,它们不是同一个对象
  • A和B虽然被定义为常量,但是它们都没有马上被赋值。在运算出s的值之前,他们何时被赋值,以及被赋予什么样的值,都是个变数。因此A和B在被赋值之前,性质类似于一个变量。那么s就不能在编译期被确定,而只能在运行时被创建了。

intern方法

运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性,Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生,也就是并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池,运行期间也可能将新的常量放入池中,这种特性被开发人员利用比较多的就是String类的intern()方法。

String的intern()方法会查找在常量池中是否存在一份equal相等的字符串,如果有则返回该字符串的引用,如果没有则添加自己的字符串进入常量池。

public static void main(String[] args) {    
   String s1 = new String("计算机");
   String s2 = s1.intern();
   String s3 = "计算机";
   System.out.println("s1 == s2? " + (s1 == s2));
   System.out.println("s3 == s2? " + (s3 == s2));
}
//s1 == s2? false
//s3 == s2? true

一个较为丰富的demo

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        String hello = "Hello", lo = "lo";
        System.out.println((hello == "Hello") + " ");
        System.out.println((Other.hello == hello) + " ");
        System.out.println((other.Other.hello == hello) + " ");
        System.out.println((hello == ("Hel" + "lo")) + " ");
        System.out.println((hello == ("Hel" + lo)) + " ");
        System.out.println(hello == ("Hel" + lo).intern());
    }
}
class Other {
    static String hello = "Hello";
}
package other;

public class Other {
    public static String hello = "Hello";
}
//true true true true false true
  • 在同包同类下,引用自同一String对象
  • 在同包不同类下,引用自同一String对象
  • 在不同包不同类下,依然引用自同一String对象
  • 在编译成.class时能够识别为同一字符串的,自动优化成常量,引用自同一String对象
  • 在运行时创建的字符串具有独立的内存地址,所以不引用自同一String对象
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