String字串

LZC發表於2020-12-24
字串

在 Java6 以及之前的版本中，String 物件是對 char 陣列進行了封裝實現的物件，主要有四個成員變數：char 陣列、偏移量 offset、字元數量 count、雜湊值 hash。

從 Java7 版本開始到 Java8 版本，String 類中不再有 offset 和 count 兩個變數了。這樣的好處是 String 物件佔用的記憶體稍微少了些。

從 Java9 版本開始，將 char[]欄位改為了 byte[]欄位，又維護了一個新的屬性 coder，它是一個編碼格式的標識。

一個 char 字元佔 16 位，2 個位元組。這個情況下，儲存單位元組編碼內的字元（佔一個位元組的字元）就顯得非常浪費。JDK1.9 的 String 類為了節約記憶體空間，於是使用了佔 8 位，1 個位元組的 byte 陣列來存放字串。

而新屬性 coder 的作用是，在計算字串長度或者使用 indexOf（）函式時，我們需要根據這個欄位，判斷如何計算字串長度。coder 屬性預設有 0 和 1 兩個值，0 代表 Latin-1（單位元組編碼），1 代表 UTF-16。如果 String 判斷字串只包含了 Latin-1，則 coder 屬性值為 0，反之則為 1。

檢視String類的程式碼可以發現，String類被final關鍵字修飾，因此這個類不能被繼承，並且String類裡面的變數char 陣列也被 final 修飾了，因此String物件不能被修改。

String物件不可變主要有如下幾個優點：

第一，保證 String 物件的安全性。假設 String 物件是可變的，那麼 String 物件將可能被惡意修改。

第二，保證 hash 屬性值不會頻繁變更，確保了唯一性，使得類似 HashMap 容器才能實現相應的 key-value 快取功能。

第三，可以實現字串常量池。

在 Java 中，通常有兩種建立字串物件的方式:

第一種是透過字串常量的方式建立，如String str = "abc"。

第二種是字串變數透過new 形式的建立，如 String str = new String("abc")。

當程式碼中使用第一種方式建立字串物件時，在編譯類檔案時，”abc”常量字串將會放入到常量結構中，在類載入時，“abc”將會在常量池中建立；然後，str將引用常量池中的字串物件。這種方式可以減少同一個值的字串物件的重複建立，節約記憶體。

String str = new String("abc") 這種方式，首先在編譯類檔案時，”abc”常量字串將會放入到常量結構中，在類載入時，“abc”將會在常量池中建立；其次，在呼叫new時，JVM 命令將會呼叫 String 的建構函式，String 物件中的 char 陣列將會引用常量池中”abc”字串的char 陣列，在堆記憶體中建立一個 String 物件；最後，str 將引用 String 物件，String物件的引用跟常量池中”abc”字串的引用是不一樣的。

物件與引用：物件的內容儲存在記憶體中，作業系統透過記憶體地址來找到儲存的內容，引用就是指記憶體的地址。

比如：String str = new String("abc")，變數str指向的是String物件的儲存地址，也就是說 str 並不是物件，而只是一個物件引用。

常量相加

String str = "ab" + "cd" + "ef";

檢視編譯後的位元組碼

0 ldc #2 <abcdef>
2 astore_1
3 return

可以發現編譯器將程式碼最佳化成如下所示

String str= "abcdef";

變數相加

String a = "ab";
String b = "cd";
String c = a + b;

檢視編譯後的位元組碼

 0 ldc #2 <ab>
 2 astore_1
 3 ldc #3 <cd>
 5 astore_2
 6 new #4 <java/lang/StringBuilder>
 9 dup
10 invokespecial #5 <java/lang/StringBuilder.<init>>
13 aload_1
14 invokevirtual #6 <java/lang/StringBuilder.append>
17 aload_2
18 invokevirtual #6 <java/lang/StringBuilder.append>
21 invokevirtual #7 <java/lang/StringBuilder.toString>
24 astore_3
25 return

可以發現，Java在進行字串相加的時候，底層使用的是StringBuilder，程式碼被最佳化成如下所示：

String c = new StringBuilder().append("ab").append("cd").toString();
String a = new String("abc").intern();
String b = new String("abc").intern();
System.out.print(a == b);

輸出結果：

true

在字串常量中，預設會將物件放入常量池。例如：String a = "123"

在字串變數中，物件是會建立在堆記憶體中，同時也會在常量池中建立一個字串物件，String 物件中的 char 陣列將會引用常量池中的 char 陣列，並返回堆記憶體物件引用。例如：String b = new String("abc")

如果呼叫 intern 方法，會去檢視字串常量池中是否有等於該物件的字串的引用，如果沒有，在 JDK1.6 版本中會複製堆中的字串到常量池中，並返回該字串引用，堆記憶體中原有的字串由於沒有引用指向它，將會透過垃圾回收器回收。

在 JDK1.7 版本以後，由於常量池已經合併到了堆中，所以不會再複製具體字串了，只是會把首次遇到的字串的引用新增到常量池中；如果有，就返回常量池中的字串引用。

下面開始分析上面的程式碼塊：

在一開始字串”abc”會在載入類時，在常量池中建立一個字串物件。

建立 a 變數時，呼叫 new Sting() 會在堆記憶體中建立一個 String 物件，String 物件中的 char 陣列將會引用常量池中字串。在呼叫 intern 方法之後，會去常量池中查詢是否有等於該字串物件的引用，有就返回常量池中的字串引用。

建立 b 變數時，呼叫 new Sting() 會在堆記憶體中建立一個 String 物件，String 物件中的 char 陣列將會引用常量池中字串。在呼叫 intern 方法之後，會去常量池中查詢是否有等於該字串物件的引用，有就返回常量池中的字串引用。

而在堆記憶體中的兩個String物件，由於沒有引用指向它，將會被垃圾回收。所以 a 和 b 引用的是同一個物件。

如果在執行時，建立字串物件，將會直接在堆記憶體中建立，不會在常量池中建立。所以動態建立的字串物件，呼叫 intern 方法，在 JDK1.6 版本中會去常量池中建立執行時常量以及返回字串引用，在 JDK1.7 版本之後，會將堆中的字串常量的引用放入到常量池中，當其它堆中的字串物件透過 intern 方法獲取字串物件引用時，則會去常量池中判斷是否有相同值的字串的引用，此時有，則返回該常量池中字串引用，跟之前的字串指向同一地址的字串物件。

以一張圖來總結 String 字串的建立分配記憶體地址情況：

使用 intern 方法需要注意的一點是，一定要結合實際場景。因為常量池的實現是類似於一個 HashTable 的實現方式，HashTable 儲存的資料越大，遍歷的時間複雜度就會增加。如果資料過大，會增加整個字串常量池的負擔。

// 執行環境 JDK1.8
String str1 = "abc";
String str2 = new String("abc");
String str3= str2.intern();
System.out.println(str1==str2); // false
System.out.println(str2==str3); // false
System.out.println(str1==str3); // true
// 執行環境 JDK1.8
String s1 = new String("1") + new String("1");
s1.intern();
String s2 = "11";
System.out.println(s1 == s2); // true , 如果不執行1.intern()，則返回false

String s1 = new String("1") + new String("1")會在堆中組合一個新的字串物件"11"，在s1.intern()之後，由於常量池中沒有該字串的引用，所以常量池中生成一個堆中字串"11"的引用，此時String s2 = "11"返回的是堆字串"11"的引用，所以s1==s2。

在JDK1.7版本以及之後的版本執行以下程式碼，你會發現結果為true，在JDK1.6版本執行的結果卻為false：

String s1 = new String("1") + new String("1");
System.out.println( s1.intern()==s1);

由於String的值是不可變的，這就導致每次對String的操作都會生成新的String物件，這樣不僅效率低下，而且大量浪費有限的記憶體空間。

和 String 類不同的是，StringBuffer 和 StringBuilder 類的物件能夠被多次的修改，並且不產生新的物件。

StringBuilder 類在 Java 5 中被提出，它和 StringBuffer 之間的最大不同在於 StringBuilder 的方法不是執行緒安全的（不能同步訪問）。

由於 StringBuilder 相較於 StringBuffer 有速度優勢，所以多數情況下建議使用 StringBuilder 類。然而在應用程式要求執行緒安全的情況下，則必須使用 StringBuffer 類。

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