4.4 解读String类源码

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，主要读一读它的源码，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（Java 8）。

String 类的声明

public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
}

“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。”

因为 == 是用来比较两个对象的地址，这个在讲字符串比较的时候会详细讲。如果只是说比较字符串内容的话，可以使用 String 类的 equals 方法：

public boolean equals(Object anObject) {
    if (this == anObject) {
        return 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;
}

“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。”

String 类的底层实现

private final char value[];

“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。这样做的好处是在 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。”

Latin1（Latin-1）是一种单字节字符集（即每个字符只使用一个字节的编码方式），也称为ISO-8859-1（国际标准化组织8859-1），它包含了西欧语言中使用的所有字符，包括英语、法语、德语、西班牙语、葡萄牙语、意大利语等等。在Latin1编码中，每个字符使用一个8位（即一个字节）的编码，可以表示256种不同的字符，其中包括ASCII字符集中的所有字符，即0x00到0x7F，以及其他西欧语言中的特殊字符，例如é、ü、ñ等等。由于Latin1只使用一个字节表示一个字符，因此在存储和传输文本时具有较小的存储空间和较快的速度

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

接下来，我们来详细地说一下。

从 char[] 到 byte[]，最主要的目的是节省字符串占用的内存空间。内存占用减少带来的另外一个好处，就是 GC 次数也会减少。

我们使用 jmap -histo:live pid | head -n 10 命令就可以查看到堆内对象示例的统计信息、查看 ClassLoader 的信息以及 finalizer 队列。

以我正在运行着的编程喵项目实例（基于 Java 8）来说，结果是这样的。

其中 String 对象有 17638 个，占用了 423312 个字节的内存，排在第三位。

由于 Java 8 的 String 内部实现仍然是 char[]，所以我们可以看到内存占用排在第 1 位的就是 char 数组。

char[] 对象有 17673 个，占用了 1621352 个字节的内存，排在第一位。

那也就是说优化 String 节省内存空间是非常有必要的，如果是去优化一个使用频率没有 String 这么高的类，就没什么必要，对吧？

众所周知，char 类型的数据在 JVM 中是占用两个字节的，并且使用的是 UTF-8 编码，其值范围在 '\u0000'（0）和 '\uffff'（65,535）（包含）之间。

也就是说，使用 char[] 来表示 String 就会导致，即使 String 中的字符只用一个字节就能表示，也得占用两个字节。

PS：在计算机中，单字节字符通常指的是一个字节（8位）可以表示的字符，而双字节字符则指需要两个字节（16位）才能表示的字符。单字节字符和双字节字符的定义是相对的，不同的编码方式对应的单字节和双字节字符集也不同。常见的单字节字符集有ASCII（美国信息交换标准代码）、ISO-8859（国际标准化组织标准编号8859）、GBK（汉字内码扩展规范）、GB2312（中国国家标准，现在已经被GBK取代），像拉丁字母、数字、标点符号、控制字符都是单字节字符。双字节字符集包括 Unicode、UTF-8、GB18030（中国国家标准），中文、日文、韩文、拉丁文扩展字符属于双字节字符。

当然了，仅仅将 char[] 优化为 byte[] 是不够的，还要配合 Latin-1 的编码方式，该编码方式是用单个字节来表示字符的，这样就比 UTF-8 编码节省了更多的空间。

换句话说，对于：

String name = "jack";

这样的，使用 Latin-1 编码，占用 4 个字节就够了。

但对于：

String name = "小二";

这种，木的办法，只能使用 UTF16 来编码。

针对 JDK 9 的 String 源码里，为了区别编码方式，追加了一个 coder 字段来区分。

/**
 * The identifier of the encoding used to encode the bytes in
 * {@code value}. The supported values in this implementation are
 *
 * LATIN1
 * UTF16
 *
 * @implNote This field is trusted by the VM, and is a subject to
 * constant folding if String instance is constant. Overwriting this
 * field after construction will cause problems.
 */
private final byte coder;

Java 会根据字符串的内容自动设置为相应的编码，要么 Latin-1 要么 UTF16。

也就是说，从 char[] 到 byte[]，中文是两个字节，纯英文是一个字节，在此之前呢，中文是两个字节，英文也是两个字节。

在 UTF-8 中，0-127 号的字符用 1 个字节来表示，使用和 ASCII 相同的编码。只有 128 号及以上的字符才用 2 个、3 个或者 4 个字节来表示。

• 如果只有一个字节，那么最高的比特位为 0；
• 如果有多个字节，那么第一个字节从最高位开始，连续有几个比特位的值为 1，就使用几个字节编码，剩下的字节均以 10 开头。

具体的表现形式为：

• 0xxxxxxx：一个字节；
• 110xxxxx 10xxxxxx：两个字节编码形式（开始两个 1）；
• 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx：三字节编码形式（开始三个 1）；
• 11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx：四字节编码形式（开始四个 1）。

也就是说，UTF-8 是变长的，那对于 String 这种有随机访问方法的类来说，就很不方便。所谓的随机访问，就是charAt、subString这种方法，随便指定一个数字，String要能给出结果。如果字符串中的每个字符占用的内存是不定长的，那么进行随机访问的时候，就需要从头开始数每个字符的长度，才能找到你想要的字符。

那你可能会问，UTF-16也是变长的呢？一个字符还可能占用 4 个字节呢？

的确，UTF-16 使用 2 个或者 4 个字节来存储字符。

• 对于 Unicode 编号范围在 0 ~ FFFF 之间的字符，UTF-16 使用两个字节存储。
• 对于 Unicode 编号范围在 10000 ~ 10FFFF 之间的字符，UTF-16 使用四个字节存储，具体来说就是：将字符编号的所有比特位分成两部分，较高的一些比特位用一个值介于 D800~DBFF 之间的双字节存储，较低的一些比特位（剩下的比特位）用一个值介于 DC00~DFFF 之间的双字节存储。

但是在 Java 中，一个字符（char）就是 2 个字节，占 4 个字节的字符，在 Java 里也是用两个 char 来存储的，而String的各种操作，都是以Java的字符（char）为单位的，charAt是取得第几个char，subString取的也是第几个到第几个char组成的子串，甚至length返回的都是char的个数。

所以UTF-16在Java的世界里，就可以视为一个定长的编码。

参考链接：https://www.zhihu.com/question/447224628

String 类的 hashCode 方法

“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。”

来看 String 类的 hashCode 方法。

private int hash; // Cache the hash code for the string

public int hashCode() {
    int h = hash;
    if (h == 0 && value.length > 0) {
        char val[] = value;

        for (int i = 0; i < value.length; i++) {
            h = 31 * h + val[i];
        }
        hash = h;
    }
    return h;
}

hashCode 方法首先检查是否已经计算过哈希码，如果已经计算过，则直接返回缓存的哈希码。否则，方法将使用一个循环遍历字符串的所有字符，并使用一个乘法和加法的组合计算哈希码。这种计算方法被称为“31 倍哈希法”。计算完成后，将得到的哈希值存储在 hash 成员变量中，以便下次调用 hashCode 方法时直接返回该值，而不需要重新计算。这是一种缓存优化，称为“惰性计算”。

31倍哈希法（31-Hash）是一种简单有效的字符串哈希算法，常用于对字符串进行哈希处理。该算法的基本思想是将字符串中的每个字符乘以一个固定的质数31的幂次方，并将它们相加得到哈希值。具体地，假设字符串为s，长度为n，则31倍哈希值计算公式如下：

H(s) = (s[0] * 31^(n-1)) + (s[1] * 31^(n-2)) + ... + (s[n-1] * 31^0)

其中，s[i]表示字符串s中第i个字符的ASCII码值，^表示幂运算。

31倍哈希法的优点在于简单易实现，计算速度快，同时也比较均匀地分布在哈希表中。

hashCode 方法，我们会在另外一个章节里详细讲，戳前面的链接了解。

我们可以通过以下方法模拟 String 的 hashCode 方法：

public class HashCodeExample {
    public static void main(String[] args) {
        String text = "沉默王二";
        int hashCode = computeHashCode(text);
        System.out.println("字符串 \"" + text + "\" 的哈希码是: " + hashCode);

        System.out.println("String 的 hashCode " + text.hashCode());
    }

    public static int computeHashCode(String text) {
        int h = 0;
        for (int i = 0; i < text.length(); i++) {
            h = 31 * h + text.charAt(i);
        }
        return h;
    }
}

看一下结果：

字符串 "沉默王二" 的哈希码是: 867758096
String 的 hashCode 867758096

结果是一样的，又学到了吧？

String 类的 substring 方法

String 类中还有一个方法比较常用 substring，用来截取字符串的，来看源码。

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

substring 方法首先检查参数的有效性，如果参数无效，则抛出 StringIndexOutOfBoundsException 异常。接下来，方法根据参数计算子字符串的长度。如果子字符串长度小于零，抛出StringIndexOutOfBoundsException异常。

如果 beginIndex 为 0，且 endIndex 等于字符串的长度，说明子串与原字符串相同，因此直接返回原字符串。否则，使用 value 数组（原字符串的字符数组）的一部分创建一个新的 String 对象并返回。

下面是几个使用 substring 方法的示例：

①、提取字符串中的一段子串：

String str = "Hello, world!";
String subStr = str.substring(7, 12);  // 从第7个字符（包括）提取到第12个字符（不包括）
System.out.println(subStr);  // 输出 "world"

②、提取字符串中的前缀或后缀：

String str = "Hello, world!";
String prefix = str.substring(0, 5);  // 提取前5个字符，即 "Hello,"
String suffix = str.substring(7);     // 提取从第7个字符开始的所有字符，即 "world!"

③、处理字符串中的空格和分隔符：

String str = "   Hello,   world!  ";
String trimmed = str.trim();                  // 去除字符串开头和结尾的空格
String[] words = trimmed.split("\\s+");       // 将字符串按照空格分隔成单词数组
String firstWord = words[0].substring(0, 1);  // 提取第一个单词的首字母
System.out.println(firstWord);                // 输出 "H"

④、处理字符串中的数字和符号：

String str = "1234-5678-9012-3456";
String[] parts = str.split("-");             // 将字符串按照连字符分隔成四个部分
String last4Digits = parts[3].substring(1);  // 提取最后一个部分的后三位数字
System.out.println(last4Digits);             // 输出 "456"

总之，substring 方法可以根据需求灵活地提取字符串中的子串，为字符串处理提供了便利。

String 类的 indexOf 方法

indexOf 方法用于查找一个子字符串在原字符串中第一次出现的位置，并返回该位置的索引。来看该方法的源码：

/*
 * 查找字符数组 target 在字符数组 source 中第一次出现的位置。
 * sourceOffset 和 sourceCount 参数指定 source 数组中要搜索的范围，
 * targetOffset 和 targetCount 参数指定 target 数组中要搜索的范围，
 * fromIndex 参数指定开始搜索的位置。
 * 如果找到了 target 数组，则返回它在 source 数组中的位置索引（从0开始），
 * 否则返回-1。
 */
static int indexOf(char[] source, int sourceOffset, int sourceCount,
        char[] target, int targetOffset, int targetCount,
        int fromIndex) {
    // 如果开始搜索的位置已经超出 source 数组的范围，则直接返回-1（如果 target 数组为空，则返回 sourceCount）
    if (fromIndex >= sourceCount) {
        return (targetCount == 0 ? sourceCount : -1);
    }
    // 如果开始搜索的位置小于0，则从0开始搜索
    if (fromIndex < 0) {
        fromIndex = 0;
    }
    // 如果 target 数组为空，则直接返回开始搜索的位置
    if (targetCount == 0) {
        return fromIndex;
    }

    // 查找 target 数组的第一个字符在 source 数组中的位置
    char first = target[targetOffset];
    int max = sourceOffset + (sourceCount - targetCount);

    // 循环查找 target 数组在 source 数组中的位置
    for (int i = sourceOffset + fromIndex; i <= max; i++) {
        /* Look for first character. */
        // 如果 source 数组中当前位置的字符不是 target 数组的第一个字符，则在 source 数组中继续查找 target 数组的第一个字符
        if (source[i] != first) {
            while (++i <= max && source[i] != first);
        }

        /* Found first character, now look at the rest of v2 */
        // 如果在 source 数组中找到了 target 数组的第一个字符，则继续查找 target 数组的剩余部分是否匹配
        if (i <= max) {
            int j = i + 1;
            int end = j + targetCount - 1;
            for (int k = targetOffset + 1; j < end && source[j]
                    == target[k]; j++, k++);

            // 如果 target 数组全部匹配，则返回在 source 数组中的位置索引
            if (j == end) {
                /* Found whole string. */
                return i - sourceOffset;
            }
        }
    }
    // 没有找到 target 数组，则返回-1
    return -1;
}

来看示例。

①、示例1：查找子字符串的位置

String str = "Hello, world!";
int index = str.indexOf("world");  // 查找 "world" 子字符串在 str 中第一次出现的位置
System.out.println(index);        // 输出 7

②、示例2：查找字符串中某个字符的位置

String str = "Hello, world!";
int index = str.indexOf(",");     // 查找逗号在 str 中第一次出现的位置
System.out.println(index);        // 输出 5

③、示例3：查找子字符串的位置（从指定位置开始查找）

String str = "Hello, world!";
int index = str.indexOf("l", 3);  // 从索引为3的位置开始查找 "l" 子字符串在 str 中第一次出现的位置
System.out.println(index);        // 输出 3

④、示例4：查找多个子字符串

String str = "Hello, world!";
int index1 = str.indexOf("o");    // 查找 "o" 子字符串在 str 中第一次出现的位置
int index2 = str.indexOf("o", 5); // 从索引为5的位置开始查找 "o" 子字符串在 str 中第一次出现的位置
System.out.println(index1);       // 输出 4
System.out.println(index2);       // 输出 8

String 类的其他方法

比如说 length() 用于返回字符串长度。

比如说 isEmpty() 用于判断字符串是否为空。

比如说 charAt() 用于返回指定索引处的字符。

比如说 getBytes() 用于返回字符串的字节数组，可以指定编码方式，比如说：

String text = "沉默王二";
System.out.println(Arrays.toString(text.getBytes(StandardCharsets.UTF_8)));

比如说 trim() 用于去除字符串两侧的空白字符，来看源码：

public String trim() {
    int len = value.length;
    int st = 0;
    char[] val = value;    /* avoid getfield opcode */

    while ((st < len) && (val[st] <= ' ')) {
        st++;
    }
    while ((st < len) && (val[len - 1] <= ' ')) {
        len--;
    }
    return ((st > 0) || (len < value.length)) ? substring(st, len) : this;
}

举例：" 沉默王二 ".trim() 会返回"沉默王二"

除此之外，还有 split、equals、join 等这些方法，我们后面会一一来细讲。

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