Java 中的 String 為什麼是不可變的？

什麼是不可變物件？

眾所周知， 在Java中， String類是不可變的。那麼到底什麼是不可變的物件呢？ 可以這樣認為：如果一個物件，在它建立完成之後，不能再改變它的狀態，那麼這個物件就是不可變的。不能改變狀態的意思是，不能改變物件內的成員變數，包括基本資料型別的值不能改變，引用型別的變數不能指向其他的物件，引用型別指向的物件的狀態也不能改變。

區分物件和物件的引用

對於Java初學者， 對於String是不可變物件總是存有疑惑。看下面程式碼：

String s = "ABCabc";
System.out.println("s = " + s);

s = "123456";
System.out.println("s = " + s);

列印結果為：

s = ABCabc
 s = 123456

首先建立一個String物件s，然後讓s的值為“ABCabc”， 然後又讓s的值為“123456”。 從列印結果可以看出，s的值確實改變了。那麼怎麼還說String物件是不可變的呢？ 其實這裡存在一個誤區： s只是一個String物件的引用，並不是物件本身。物件在記憶體中是一塊記憶體區，成員變數越多，這塊記憶體區佔的空間越大。引用只是一個4位元組的資料，裡面存放了它所指向的物件的地址，通過這個地址可以訪問物件。

也就是說，s只是一個引用，它指向了一個具體的物件，當s=“123456”; 這句程式碼執行過之後，又建立了一個新的物件“123456”， 而引用s重新指向了這個心的物件，原來的物件“ABCabc”還在記憶體中存在，並沒有改變。記憶體結構如下圖所示：

Java和C++的一個不同點是， 在Java中不可能直接操作物件本身，所有的物件都由一個引用指向，必須通過這個引用才能訪問物件本身，包括獲取成員變數的值，改變物件的成員變數，呼叫物件的方法等。而在C++中存在引用，物件和指標三個東西，這三個東西都可以訪問物件。其實，Java中的引用和C++中的指標在概念上是相似的，他們都是存放的物件在記憶體中的地址值，只是在Java中，引用喪失了部分靈活性，比如Java中的引用不能像C++中的指標那樣進行加減運算。

為什麼String物件是不可變的？

要理解String的不可變性，首先看一下String類中都有哪些成員變數。 在JDK1.6中，String的成員變數有以下幾個：

public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence
{
    /** The value is used for character storage. */
    private final char value[];

    /** The offset is the first index of the storage that is used. */
    private final int offset;

    /** The count is the number of characters in the String. */
    private final int count;

    /** Cache the hash code for the string */
    private int hash; // Default to 0

在JDK1.7中，String類做了一些改動，主要是改變了substring方法執行時的行為，這和本文的主題不相關。JDK1.7中String類的主要成員變數就剩下了兩個：

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

由以上的程式碼可以看出， 在Java中String類其實就是對字元陣列的封裝。JDK6中， value是String封裝的陣列，offset是String在這個value陣列中的起始位置，count是String所佔的字元的個數。在JDK7中，只有一個value變數，也就是value中的所有字元都是屬於String這個物件的。這個改變不影響本文的討論。 除此之外還有一個hash成員變數，是該String物件的雜湊值的快取，這個成員變數也和本文的討論無關。在Java中，陣列也是物件（可以參考我之前的文章java中陣列的特性）。 所以value也只是一個引用，它指向一個真正的陣列物件。其實執行了String s = “ABCabc”; 這句程式碼之後，真正的記憶體佈局應該是這樣的：

value，offset和count這三個變數都是private的，並且沒有提供setValue， setOffset和setCount等公共方法來修改這些值，所以在String類的外部無法修改String。也就是說一旦初始化就不能修改， 並且在String類的外部不能訪問這三個成員。此外，value，offset和count這三個變數都是final的， 也就是說在String類內部，一旦這三個值初始化了， 也不能被改變。所以可以認為String物件是不可變的了。

那麼在String中，明明存在一些方法，呼叫他們可以得到改變後的值。這些方法包括substring， replace， replaceAll， toLowerCase等。例如如下程式碼：

String a = "ABCabc";  
System.out.println("a = " + a);  
a = a.replace('A', 'a');  
System.out.println("a = " + a);

列印結果為：

a = ABCabc
a = aBCabc

那麼a的值看似改變了，其實也是同樣的誤區。再次說明， a只是一個引用， 不是真正的字串物件，在呼叫a.replace(‘A’, ‘a’)時， 方法內部建立了一個新的String物件，並把這個心的物件重新賦給了引用a。String中replace方法的原始碼可以說明問題：

讀者可以自己檢視其他方法，都是在方法內部重新建立新的String物件，並且返回這個新的物件，原來的物件是不會被改變的。這也是為什麼像replace， substring，toLowerCase等方法都存在返回值的原因。也是為什麼像下面這樣呼叫不會改變物件的值：

String ss = "123456";

System.out.println("ss = " + ss);

ss.replace('1', '0');

System.out.println("ss = " + ss);

列印結果：

ss = 123456
 ss = 123456

String物件真的不可變嗎？

從上文可知String的成員變數是private final 的，也就是初始化之後不可改變。那麼在這幾個成員中， value比較特殊，因為他是一個引用變數，而不是真正的物件。value是final修飾的，也就是說final不能再指向其他陣列物件，那麼我能改變value指向的陣列嗎？ 比如將陣列中的某個位置上的字元變為下劃線“_”。 至少在我們自己寫的普通程式碼中不能夠做到，因為我們根本不能夠訪問到這個value引用，更不能通過這個引用去修改陣列。

那麼用什麼方式可以訪問私有成員呢？ 沒錯，用反射， 可以反射出String物件中的value屬性， 進而改變通過獲得的value引用改變陣列的結構。下面是例項程式碼：

	public static void testReflection() throws Exception {

		//建立字串"Hello World"， 並賦給引用s
		String s = "Hello World"; 

		System.out.println("s = " + s);	//Hello World

		//獲取String類中的value欄位
		Field valueFieldOfString = String.class.getDeclaredField("value");

		//改變value屬性的訪問許可權
		valueFieldOfString.setAccessible(true);

		//獲取s物件上的value屬性的值
		char[] value = (char[]) valueFieldOfString.get(s);

		//改變value所引用的陣列中的第5個字元
		value[5] = '_';

		System.out.println("s = " + s);  //Hello_World
	}

列印結果為：

s = Hello World
 s = Hello_World

在這個過程中，s始終引用的同一個String物件，但是再反射前後，這個String物件發生了變化， 也就是說，通過反射是可以修改所謂的“不可變”物件的。但是一般我們不這麼做。這個反射的例項還可以說明一個問題：如果一個物件，他組合的其他物件的狀態是可以改變的，那麼這個物件很可能不是不可變物件。例如一個Car物件，它組合了一個Wheel物件，雖然這個Wheel物件宣告成了private final 的，但是這個Wheel物件內部的狀態可以改變， 那麼就不能很好的保證Car物件不可變。