Java雜記17—String全面解析

冰洋發表於2018-05-28
Java

前言

基於字串String在java中的地位，關於String的常識性知識就不多做介紹了，我們先來看一段程式碼

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));
    }
}
複製程式碼

那麼上段程式碼的結果是什麼呢？答案是：true true false true，有初學java的朋友肯定會納悶，a==c為什麼會是false呢？equals判斷的為什麼都是true呢？

根據這些問題，我們就通過對String的解讀來一步一步的瞭解。

為什麼a==c的結果是false

明白這個問題需要對JVM的記憶體結構有一定的瞭解，說是瞭解也不需要太多，能夠get到下圖的知識點就行了。

ps：本文中所有的圖示均是為了方便理解，畫出來的大致樣子，如果想要了解的更加清楚，請自行研究虛擬機器原理。

Stringpool記憶體演示

java語法設計的時候針對String，提供了兩種建立方式和一種特殊的儲存機制（String intern pool ）。

兩種建立字串物件的方式：

  1. 字面值的方式賦值
  2. new關鍵字新建一個字串物件

這兩種方法在效能和記憶體佔用方面存在這差異

String Pool串池：是在記憶體堆中專門劃分一塊空間，用來儲存所有String物件資料，當構造一個新字串String物件時（通過字面量賦值的方法），Java編譯機制會優先在這個池子裡查詢是否已經存在能滿足需要的String物件，如果有的話就直接返回該物件的地址引用（沒有的話就正常的構造一個新物件，丟進去存起來），這樣下次再使用同一個String的時候，就可以直接從串池中取，不需要再次建立物件，也就避免了很多不必要的空間開銷。

根據以上的概念，我們再來看前言中的程式碼，當JVM執行到String a = "abc";的時候，會先看常量池裡有沒有字串剛好是“abc”這個物件，如果沒有，在常量池裡建立初始化該物件，並把引用指向它，如下圖。

String1

當執行到String b = "abc";時，發現常量池已經有了abc這個值，於是不再在常量池中建立這個物件，而是把引用直接指向了該物件，如下圖：

String2

繼續執行到 String c = new String("abc");這時候我們加了一個new關鍵字，這個關鍵字呢就是告訴JVM，你直接在堆記憶體裡給我開闢一塊新的記憶體，如下圖所示：

String3

這時候我們執行四個列印語句，我們需要知道==比較的是地址，equals比較的是內容（String中的重寫過了），abc三個變數的內容完全一樣，因此equals的結果都是true，ab是一個同一個物件，因此地址一樣，a和c很顯然不是同一個物件，那麼此時為false也是很好理解的。

String相關原始碼

在本文中只有String的部分原始碼，畢竟String的原始碼有3000多行，全部來寫進來不那麼現實，我們挑一些比較有意思的程式碼來做一定的分析說明。

屬性

我們先來看一下String都有哪些成員變數，比較關鍵的屬性有兩個，如下：

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

從原始碼中我們能夠看到，在String類中宣告瞭一個char[]陣列，變數名value，宣告瞭一個int型別的變數hash（該String物件的雜湊值的快取）。也就是說java中的String類其實就是對char陣列的封裝。

構造方法

接下來我們通過一句程式碼來了解一下字串建立的過程，String c = new String("abc");我們知道使用new關鍵字就會使用到構造方法，所以如下。

public String(String original) {
        this.value = original.value;
        this.hash = original.hash;
    }
複製程式碼

構造方法中的程式碼非常簡單，把傳進來的字串的value值，也就是char陣列賦值給當前物件，hash同樣處理，那麼問題來了WTF original？

在這裡需要注意的是java中的一個機制，在Java中，當值被雙引號引起來(如本示例中的"abc")，JVM會去先檢檢視一看常量池裡有沒有abc這個物件，如果沒有，把abc初始化為物件放入常量池，如果有，直接返回常量池內容。所以也就是說在沒有“abc”的基礎上，執行程式碼會在串池中建立一個abc，也會在堆記憶體中再new出來一個。最終的結果如下圖：

String4

那麼這時候如果再有一個String c2 = new String("abc");呢？如圖

String5

關於這一點我們通過IDEA的debug功能也能夠看到，你會發現，c和c2其中的char陣列的地址是相同的。足以說明在建立c和c2的時候使用的是同一個陣列。

String6

equals方法

 public boolean equals(Object anObject) {
     //如果兩個物件是同一個引用，那麼直接返回true
        if (this == anObject) {
            return true;
        }
     /*
     1.判斷傳入的物件是不是String型別
     2.判斷兩個物件的char陣列長度是否一致
     3.迴圈判斷char陣列中的每一個值是否相等
     以上條件均滿足才會返回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;
    }

複製程式碼

為什麼String不可變？

串池需要

為什麼說是串池需要呢？在開篇的時候我們提到過，串池中的字串會被多個變數引用，這樣的機制讓字串物件得到了複用，避免了很多不必要的記憶體消耗。

那麼大家試想一下，如果String物件本身允許二次修改的話，我有一個字串“abc”同時被100個變數引用，其中一個引用修改了String物件，那麼將會影響到其他99個引用該物件的變數，這樣會對其他變數造成不可控的影響。

不可變性的優點

安全性

字串不可變安全性的考慮處於兩個方面，資料安全和執行緒安全。

資料安全，大家可以回憶一下，我們都在哪些地方大量的使用了字串？網路資料傳輸，檔案IO等，也就是說當我們在傳參的時候，使用不可變類不需要去考慮誰可能會修改其內部的值，如果使用可變類的話，可能需要每次記得重新拷貝出裡面的值，效能會有一定的損失。

執行緒安全，因為字串是不可變的，所以是多執行緒安全的，同一個字串例項可以被多個執行緒共享，這樣便不用因為執行緒安全問題而使用同步。

效能效率

關於效能效率一方面是複用，另一方面呢需要從hash值的快取方向來說起了。

String的Hash值在很多的地方都會被使用到，如果保證了String的不可變性，也就能夠保證Hash值始終也是不可變的，這樣就不需要在每次使用的時候重新計算hash值了。

String不可變性是如何實現的？

通過對屬性私有化，final修飾，同時沒有提供公開的get set方法以及其他的能夠修改屬性的方法，保證了在建立之後不會被從外部修改。

同時不能忘了，String也是被final修飾的，在之前的文章中我們提到過，final修飾類的結果是String類沒有子類。

那麼String真的不能改變嗎？不是，通過反射我們可以，程式碼如下：

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

//改變value所引用的陣列中的第5個字元
value[1] = '_';
System.out.println(c);
複製程式碼

執行的結果是

abc
a_c
複製程式碼

也就是說我們改變了字串物件的值，有什麼意義呢？沒什麼意義，我們從來不會這麼做。

其他問題

不是特別需要請不要使用new關鍵字建立字串

從前文我們知道使用new關鍵字建立String的時候，即便串池中存在相同String，仍然會再次在堆記憶體中建立物件，會浪費記憶體，另一方面物件的建立相較於從串池中取效率也更低下。

String StringBuffer StringBuilder的區別

關於三者的區別，在面試題中經常的出現，String物件不可變，因此在進行任何內容上的修改時都會建立新的字串物件，一旦修改操作太多就會造成大量的資源浪費。

StringBuffer和StringBuilder在進行字串拼接的時候不會建立新的物件，而是在原物件上修改，不同之處在於StringBuffer執行緒安全，StringBuilder執行緒不安全。所以在進行字串拼接的時候推薦使用StringBuffer或者StringBuilder。

我不能保證每一個地方都是對的，但是可以保證每一句話，每一行程式碼都是經過推敲和斟酌的。希望每一篇文章背後都是自己追求純粹技術人生的態度。

永遠相信美好的事情即將發生。

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