【JDK原始碼分析】String的儲存區與不可變性

導讀	我們有時會發生疑惑：為什麼透過字串常量例項化的String型別物件是一樣的，而透過new所建立String物件卻不一樣呢？且看下面分解。

String是一個比較特殊的類，除了new之外，還可以用字面常量來定義。為了弄清楚這二者間的區別，首先我們得明白JVM執行時資料儲存區，這裡有一張圖對此有清晰的描述：

非共享資料儲存區是線上程啟動時被建立的，包括：

• 程式計數器（program counter register）控制執行緒的執行；
• 棧（JVM Stack, Native Method Stack）儲存方法呼叫與物件的引用等。
共享資料儲存區

該儲存區被所有執行緒所共享，可分為：

• 堆（Heap）儲存所有的Java物件，當執行new物件時，會在堆裡自動進行記憶體分配。
• 方法區（Method Area）儲存常量池（run-time constant pool）、欄位與方法的資料、方法與構造器的程式碼。
2. 兩種例項化

例項化String物件：

public class StringLiterals {
    public static void main(String[] args) {
        String one = "Test";
        String two = "Test";
        String three = "T" + "e" + "s" + "t";
        String four = new String("Test");
    }
}

javap -c StringLiterals反編譯生成位元組碼，我們選取感興趣的部分如下：

  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: ldc           #2                  // String Test
       2: astore_1
       3: ldc           #2                  // String Test
       5: astore_2
       6: ldc           #2                  // String Test
       8: astore_3
       9: new           #3                  // class java/lang/String
      12: dup
      13: ldc           #2                  // String Test
      15: invokespecial #4                  // Method java/lang/String."": (Ljava/lang/String;)V
      18: astore        4
      20: return
}

ldc #2表示從常量池中取#2的常量入棧，astore_1表示將引用存在本地變數1中。因此，我們可以看出：物件one、two、three均指向常量池中的字面常量"Test"；物件four是在堆中new的新物件；如下圖所示：

總結如下：

當用字面常量例項化時，String物件儲存在常量池；

當用new例項化時，String物件儲存在堆中；

運算子==比較的是物件的引用，當其指向的物件不同時，則為false。因此，開篇中的程式碼會出現透過new所建立String物件不一樣。

JDK7的String類：

public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable, 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
}

String類被宣告為final，不可以被繼承，所有的方法隱式地指定為final，因為無法被覆蓋。欄位char value[]表示String類所對應的字串，被宣告為private final；即初始化後不能被修改。常用的new例項化物件String s1 = new String("abcd");的構造器：

public String(String original) {
    this.value = original.value;
    this.hash = original.hash;
}

只需將value與hash的欄位值進行傳遞即可。

所謂不可變性（immutability）指類不可以透過常用的API被修改。為了更好地理解不可變性，我們先來看《Thinking in Java》中的一段程式碼：

//: operators/Assignment.java
// Assignment with objects is a bit tricky.
import static net.mindview.util.Print.*;
class Tank {
  int level;
}   
public class Assignment {
  public static void main(String[] args) {
    Tank t1 = new Tank();
    Tank t2 = new Tank();
    t1.level = 9;
    t2.level = 47;
    print("1: t1.level: " + t1.level +
          ", t2.level: " + t2.level);
    t1 = t2;
    print("2: t1.level: " + t1.level +
          ", t2.level: " + t2.level);
    t1.level = 27;
    print("3: t1.level: " + t1.level +
          ", t2.level: " + t2.level);
  }
} /* Output:
1: t1.level: 9, t2.level: 47
2: t1.level: 47, t2.level: 47
3: t1.level: 27, t2.level: 27
*///:~

上述程式碼中，在賦值操作t1 = t2;之後，t1、t2包含的是相同的引用，指向同一個物件。因此對t1物件的修改，直接影響了t2物件的欄位改變。顯然，Tank類是可變的。

也許，有人會說s = s.concat("ef");不是修改了物件s麼？而事實上，我們去看concat的實現，會發現其返回的是新String物件（return new String(buf, true);）；改變的只是s1引用所指向的物件，如下圖所示：

String的value欄位是final的，可不可以透過過某種方式修改呢？答案是反射。在stackoverflow上有這樣一段修改value欄位的程式碼：

String s1 = "Hello World";  
String s2 = "Hello World";  
String s3 = s1.substring(6);  
System.out.println(s1); // Hello World  
System.out.println(s2); // Hello World  
System.out.println(s3); // World  
Field field = String.class.getDeclaredField("value");  
field.setAccessible(true);  
char[] value = (char[])field.get(s1);  
value[6] = 'J';  
value[7] = 'a';  
value[8] = 'v';  
value[9] = 'a';  
value[10] = '!';  
System.out.println(s1); // Hello Java!  
System.out.println(s2); // Hello Java!  
System.out.println(s3); // World

在上述程式碼中，為什麼物件s2的值也會被修改，而物件s3的值卻不會呢？根據前面的介紹，s1與s2指向同一個物件；所以當s1被修改後，s2也會對應地被修改。至於s3物件為什麼不會？我們來看看substring()的實現：

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);
}

當beginIndex不為0時，返回的是new的String物件；當beginIndex為0時，返回的是原物件本身。如果將String s3 = s1.substring(6);改為String s3 = s1.substring(0);，那麼物件s3也會被修改了。

如果仔細看java.lang.String.java，我們會發現：當需要改變字串內容時，String類的方法返回的是新String物件；如果沒有改變，String類的方法則返回原物件引用。這節省了儲存空間與額外的開銷。

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