Java杂记17—String全面解析

摘要： String基本特性，String源码，为什么String不可变？

前言

基于字符串String在java中的地位，关于String的常识性知识就不多做介绍了，我们先来看一段代码

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        String a = "abc";
        String b = "abc";
        String c = new String("abc");
        System.out.println(a==b);
        System.out.println(a.equals(b));
        System.out.println(a==c);
        System.out.println(a.equals(c));
    }
}

那么上段代码的结果是什么呢？答案是：true true false true，有初学java的朋友肯定会纳闷，a==c为什么会是false呢？equals判断的为什么都是true呢？

根据这些问题，我们就通过对String的解读来一步一步的了解。

为什么a==c的结果是false

明白这个问题需要对JVM的内存结构有一定的了解，说是了解也不需要太多，能够get到下图的知识点就行了。

ps：本文中所有的图示均是为了方便理解，画出来的大致样子，如果想要了解的更加清楚，请自行研究虚拟机原理。

java语法设计的时候针对String，提供了两种创建方式和一种特殊的存储机制（String intern pool ）。

两种创建字符串对象的方式：

1. 字面值的方式赋值
2. new关键字新建一个字符串对象

这两种方法在性能和内存占用方面存在这差异

String Pool串池：是在内存堆中专门划分一块空间，用来保存所有String对象数据，当构造一个新字符串String对象时（通过字面量赋值的方法），Java编译机制会优先在这个池子里查找是否已经存在能满足需要的String对象，如果有的话就直接返回该对象的地址引用（没有的话就正常的构造一个新对象，丢进去存起来），这样下次再使用同一个String的时候，就可以直接从串池中取，不需要再次创建对象，也就避免了很多不必要的空间开销。

根据以上的概念，我们再来看前言中的代码，当JVM执行到String a = "abc";的时候，会先看常量池里有没有字符串刚好是“abc”这个对象，如果没有，在常量池里创建初始化该对象，并把引用指向它，如下图。

当执行到String b = "abc";时，发现常量池已经有了abc这个值，于是不再在常量池中创建这个对象，而是把引用直接指向了该对象，如下图：

继续执行到 String c = new String("abc");这时候我们加了一个new关键字，这个关键字呢就是告诉JVM，你直接在堆内存里给我开辟一块新的内存，如下图所示：

这时候我们执行四个打印语句，我们需要知道==比较的是地址，equals比较的是内容（String中的重写过了），abc三个变量的内容完全一样，因此equals的结果都是true，ab是一个同一个对象，因此地址一样，a和c很显然不是同一个对象，那么此时为false也是很好理解的。

String相关源码

在本文中只有String的部分源码，毕竟String的源码有3000多行，全部来写进来不那么现实，我们挑一些比较有意思的代码来做一定的分析说明。

属性

我们先来看一下String都有哪些成员变量，比较关键的属性有两个，如下：

public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
    /** The value is used for character storage. */
    char数组
    private final char value[];
    /** Cache the hash code for the string */
    private int hash; // Default to 0

从源码中我们能够看到，在String类中声明了一个char[]数组，变量名value，声明了一个int类型的变量hash（该String对象的哈希值的缓存）。也就是说java中的String类其实就是对char数组的封装。

构造方法

接下来我们通过一句代码来了解一下字符串创建的过程，String c = new String("abc");我们知道使用new关键字就会使用到构造方法，所以如下。

public String(String original) {
        this.value = original.value;
        this.hash = original.hash;
    }

构造方法中的代码非常简单，把传进来的字符串的value值，也就是char数组赋值给当前对象，hash同样处理，那么问题来了WTF original？

在这里需要注意的是java中的一个机制，在Java中，当值被双引号引起来(如本示例中的"abc")，JVM会去先检查看一看常量池里有没有abc这个对象，如果没有，把abc初始化为对象放入常量池，如果有，直接返回常量池内容。所以也就是说在没有“abc”的基础上，执行代码会在串池中创建一个abc，也会在堆内存中再new出来一个。最终的结果如下图：

那么这时候如果再有一个String c2 = new String("abc");呢？如图

关于这一点我们通过IDEA的debug功能也能够看到，你会发现，c和c2其中的char数组的地址是相同的。足以说明在创建c和c2的时候使用的是同一个数组。

equals方法

 public boolean equals(Object anObject) {
     //如果两个对象是同一个引用，那么直接返回true
        if (this == anObject) {
            return true;
        }
     /*
     1.判断传入的对象是不是String类型
     2.判断两个对象的char数组长度是否一致
     3.循环判断char数组中的每一个值是否相等
     以上条件均满足才会返回true
     */
        if (anObject instanceof String) {
            String anotherString = (String)anObject;
            int n = value.length;
            if (n == anotherString.value.length) {
                char v1[] = value;
                char v2[] = anotherString.value;
                int i = 0;
                while (n-- != 0) {
                    if (v1[i] != v2[i])
                        return false;
                    i++;
                }
                return true;
            }
        }
        return false;
    }

为什么String不可变？

串池需要

为什么说是串池需要呢？在开篇的时候我们提到过，串池中的字符串会被多个变量引用，这样的机制让字符串对象得到了复用，避免了很多不必要的内存消耗。

那么大家试想一下，如果String对象本身允许二次修改的话，我有一个字符串“abc”同时被100个变量引用，其中一个引用修改了String对象，那么将会影响到其他99个引用该对象的变量，这样会对其他变量造成不可控的影响。

不可变性的优点

安全性

字符串不可变安全性的考虑处于两个方面，数据安全和线程安全。

数据安全，大家可以回忆一下，我们都在哪些地方大量的使用了字符串？网络数据传输，文件IO等，也就是说当我们在传参的时候，使用不可变类不需要去考虑谁可能会修改其内部的值，如果使用可变类的话，可能需要每次记得重新拷贝出里面的值，性能会有一定的损失。

线程安全，因为字符串是不可变的，所以是多线程安全的，同一个字符串实例可以被多个线程共享，这样便不用因为线程安全问题而使用同步。

性能效率

关于性能效率一方面是复用，另一方面呢需要从hash值的缓存方向来说起了。

String的Hash值在很多的地方都会被使用到，如果保证了String的不可变性，也就能够保证Hash值始终也是不可变的，这样就不需要在每次使用的时候重新计算hash值了。

String不可变性是如何实现的？

通过对属性私有化，final修饰，同时没有提供公开的get set方法以及其他的能够修改属性的方法，保证了在创建之后不会被从外部修改。

同时不能忘了，String也是被final修饰的，在之前的文章中我们提到过，final修饰类的结果是String类没有子类。

那么String真的不能改变吗？不是，通过反射我们可以，代码如下：

String c = new String("abc");
System.out.println(c);
//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(c);

//改变value所引用的数组中的第5个字符
value[1] = '_';
System.out.println(c);

执行的结果是

abc
a_c

也就是说我们改变了字符串对象的值，有什么意义呢？没什么意义，我们从来不会这么做。

其他问题

不是特别需要请不要使用new关键字创建字符串

从前文我们知道使用new关键字创建String的时候，即便串池中存在相同String，仍然会再次在堆内存中创建对象，会浪费内存，另一方面对象的创建相较于从串池中取效率也更低下。

String StringBuffer StringBuilder的区别

关于三者的区别，在面试题中经常的出现，String对象不可变，因此在进行任何内容上的修改时都会创建新的字符串对象，一旦修改操作太多就会造成大量的资源浪费。

StringBuffer和StringBuilder在进行字符串拼接的时候不会创建新的对象，而是在原对象上修改，不同之处在于StringBuffer线程安全，StringBuilder线程不安全。所以在进行字符串拼接的时候推荐使用StringBuffer或者StringBuilder。

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我不能保证每一个地方都是对的，但是可以保证每一句话，每一行代码都是经过推敲和斟酌的。希望每一篇文章背后都是自己追求纯粹技术人生的态度。

永远相信美好的事情即将发生。