为什么String是不可变的?

沉默王二2021年10月22日
大约 5 分钟

我正坐在沙发上津津有味地读刘欣大佬的《码农翻身》——Java 帝国这一章,门铃响了。起身打开门一看,是三妹,她从学校回来了。

“三妹,你回来的真及时,今天我们打算讲 Java 中的字符串呢。”等三妹换鞋的时候我说。

“哦,可以呀,哥。听说字符串的细节特别多,什么字符串常量池了、字符串不可变性了、字符串拼接了、字符串长度限制了等等,你最好慢慢讲,否则我可能一时半会消化不了。”三妹的态度显得很诚恳。

“嗯,我已经想好了,今天就只带你大概认识一下字符串,再说说为什么 String 是不可变的,其他的细节咱们后面再慢慢讲,保证你能及时消化。”

“好,那就开始吧。”三妹已经准备好坐在了电脑桌的边上。

我应了一声后走到电脑桌前坐下来,顺手打开 Intellij IDEA,并找到了 String 的源码。

public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
    @Stable
    private final byte[] value;
    private final byte coder;
    private int hash;
}

“第一,String 类是 final 的,意味着它不能被子类继承。”

“第二,String 类实现了 Serializable 接口,意味着它可以序列化。”

“第三,String 类实现了 Comparable 接口,意味着最好不要用‘==’来比较两个字符串是否相等,而应该用 compareTo() 方法去比较。”

“第四,StringBuffer、StringBuilder 和 String 一样,都实现了 CharSequence 接口,所以它们仨属于近亲。由于 String 是不可变的,所以遇到字符串拼接的时候就可以考虑一下 String 的另外两个好兄弟,StringBuffer 和 StringBuilder,它俩是可变的。”

“第五,Java 9 以前,String 是用 char 型数组实现的,之后改成了 byte 型数组实现,并增加了 coder 来表示编码open in new window。在 Latin1 字符为主的程序里,可以把 String 占用的内存减少一半。当然,天下没有免费的午餐,这个改进在节省内存的同时引入了编码检测的开销。”

“第六,每一个字符串都会有一个 hash 值,这个哈希值在很大概率是不会重复的,因此 String 很适合来作为 HashMap 的键值。”

“String 可能是 Java 中使用频率最高的引用类型了,因此 String 类的设计者可以说是用心良苦。”

比如说 String 的不可变性。

  • String 类被 final 关键字修饰,所以它不会有子类,这就意味着没有子类可以重写它的方法,改变它的行为。
  • String 类的数据存储在 byte[] 数组中,而这个数组也被 final 关键字修饰了,这就表示 String 对象是没法被修改的,只要初始化一次,值就确定了。

“哥,为什么要这样设计呢?”三妹有些不解。

“我先简单来说下,三妹,能懂最好,不能懂后面再细说。”

第一,可以保证 String 对象的安全性,避免被篡改,毕竟像密码这种隐私信息一般就是用字符串存储的。

第二,保证哈希值不会频繁变更。毕竟要经常作为哈希表的键值,经常变更的话,哈希表的性能就会很差劲。

第三,可以实现字符串常量池。

“由于字符串的不可变性,String 类的一些方法实现最终都返回了新的字符串对象。”等三妹稍微缓了一会后,我继续说到。

“就拿 substring() 方法来说。”

public String substring(int beginIndex) {
    if (beginIndex < 0) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(beginIndex);
    }
    int subLen = length() - beginIndex;
    if (subLen < 0) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(subLen);
    }
    if (beginIndex == 0) {
        return this;
    }
    return isLatin1() ? StringLatin1.newString(value, beginIndex, subLen)
            : StringUTF16.newString(value, beginIndex, subLen);
}

// StringLatin1.newString 
public static String newString(byte[] val, int index, int len) {
    return new String(Arrays.copyOfRange(val, index, index + len),
            LATIN1);
}

// UTF16.newString
public static String newString(byte[] val, int index, int len) {
    if (String.COMPACT_STRINGS) {
        byte[] buf = compress(val, index, len);
        if (buf != null) {
            return new String(buf, LATIN1);
        }
    }
    int last = index + len;
    return new String(Arrays.copyOfRange(val, index << 1, last << 1), UTF16);
}

substring() 方法用于截取字符串,不管是 Latin1 字符还是 UTF16 字符,最终返回的都是 new 出来的新字符串对象。

“还有 concat() 方法。”

public String concat(String str) {
    int olen = str.length();
    if (olen == 0) {
        return this;
    }
    if (coder() == str.coder()) {
        byte[] val = this.value;
        byte[] oval = str.value;
        int len = val.length + oval.length;
        byte[] buf = Arrays.copyOf(val, len);
        System.arraycopy(oval, 0, buf, val.length, oval.length);
        return new String(buf, coder);
    }
    int len = length();
    byte[] buf = StringUTF16.newBytesFor(len + olen);
    getBytes(buf, 0, UTF16);
    str.getBytes(buf, len, UTF16);
    return new String(buf, UTF16);
}

concat() 方法用于拼接字符串,不管编码是否一致,最终也返回的是新的字符串对象。

replace() 替换方法其实也一样,三妹,你可以自己一会看一下源码,也是返回新的字符串对象。”

“这就意味着,不管是截取、拼接,还是替换,都不是在原有的字符串上进行的,而是重新生成了新的字符串对象。也就是说,这些操作执行过后,原来的字符串对象并没有发生改变。”

“三妹,你记住,String 对象一旦被创建后就固定不变了,对 String 对象的任何修改都不会影响到原来的字符串对象,都会生成新的字符串对象。”

“嗯嗯,记住了,哥。”三妹很乖。

“那今天就先讲到这吧,后面我们再对每一个细分领域深入地展开一下。你可以找一些资料先预习下,我出去散会心。。。。。”


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