走進(jìn)JDK之不可變類String

文中相關(guān)源碼： String.java

今天來說說 String。

貫穿全文，你需要始終記住這句話，String 是不可變類 。其實(shí)前面說過的所有基本數(shù)據(jù)類型包裝類都是不可變類，但是在 String 的源碼中，不可變類 的概念體現(xiàn)的更加淋漓盡致。所以，在閱讀 String 源碼的同時，抽絲剝繭，你會對不可變類有更深的理解。

什么是不可變類 ？

首先來看一下什么是不可變類？Effective Java 第三版 第 17 條 使不可變性最小化 中對 不可變類 的解釋：

不可變類是指其實(shí)例不能被修改的類。每個實(shí)例中包含的所有信息都必須在創(chuàng)建該實(shí)例的時候就提供，并在對象的整個生命周期 (lifetime) 內(nèi)固定不變 。
為了使類成為不可變，要遵循下面五條規(guī)則：

不要提供任何會修改對象狀態(tài)的方法（也稱為設(shè)值方法） 。
保證類不會被擴(kuò)展。 為了防止子類化，一般做法是聲明這個類成為 final 的。
聲明所有的域都是 final 的。
聲明所有的域都為私有的。 這樣可以防止客戶端獲得訪問被域引用的可變對象的權(quán)限，并防止客戶端直接修改這些對象 。
確保對于任何可變組件的互斥訪問。 如果類具有指向可變對象的域，則必須確保該類的客戶端無法獲得指向這些對象的引用 。 并且，永遠(yuǎn)不要用客戶端提供的對象引用來初始化這樣的域，也不要從任何訪問方法（ accessor）中返回該對象引用 。 在構(gòu)造器、訪問方法和 readObject 方法（詳見第 88 條）中請使用保護(hù)性拷貝（ defensive copy ）技術(shù)（詳見第50 條） 。

根據(jù)這五條原則，來品嘗一下 String.java 吧！

類定義

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

對應(yīng)原則第二點(diǎn) 保證類不會被擴(kuò)展，使用 final 修飾。此外：

• 實(shí)現(xiàn)了 Serializable 接口，具備序列化能力
• 實(shí)現(xiàn)了 Comparable 接口，具備比較對象大小能力，根據(jù)單字符的大小比較。
• 實(shí)現(xiàn)了 CharSequence 接口，表示是一個字符序列，實(shí)現(xiàn)了該接口下的一些方法。

字段

private final char value[]; // 儲存字符串
private int hash; // 哈希值，默認(rèn)為 0
private static final long serialVersionUID = -6849794470754667710L; // 序列化標(biāo)識

看起來 String 是一個獨(dú)立的對象，其實(shí)它是使用基本數(shù)據(jù)類型的數(shù)組 char[] 實(shí)現(xiàn)的。作為使用者，我們不需要打開 String 的黑匣子，直接根據(jù)它的 API 使用就可以了，這正是 Java 的封裝性的體現(xiàn)。但是作為開發(fā)者，我們就有必要一探究竟了。

private final char value[] , 對應(yīng)原則中第三條和第四條，聲明所有的域都是 final 的 ，聲明所有的域都為私有的?？吹竭@里，你大概明白了一點(diǎn)為什么 String 不可變。因?yàn)檎嬲脕泶鎯ψ址淖址麛?shù)組是 final 修飾的，是不可變的。

構(gòu)造函數(shù)

String 的構(gòu)造函數(shù)很多，大致可以分為以下四種：

無參構(gòu)造

public String() {
 this.value = "".value;
}

無參構(gòu)造默認(rèn)構(gòu)建一個空字符串。鑒于 String 是不可變類，所以此構(gòu)造器并沒有什么意義，一般你也不會去構(gòu)建一個不可變的空字符串對象。

參數(shù)是 byte[]

public String(byte bytes[]) {}
public String(byte bytes[], int offset, int length) {}
public String(byte bytes[], Charset charset) {}
public String(byte bytes[], String charsetName) {}
public String(byte bytes[], int offset, int length, Charset charset) {}
public String(byte bytes[], int offset, int length, String charsetName) {}

已經(jīng)廢棄的就不再列舉了。上面這些構(gòu)造函數(shù)都差不多，最后都是調(diào)用 StringCoding.decode() 方法將字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換為字符數(shù)組，再賦值給 value[]。這里要注意一點(diǎn)，參數(shù)未指定編碼格式的話，默認(rèn)使用系統(tǒng)的編碼格式，如果沒有獲取到系統(tǒng)編碼格式，則使用 ISO-8859-1 格式。

參數(shù)是 char[]

參數(shù)是 char[] 的構(gòu)造函數(shù)有 3 個，逐個看一下：

public String(char value[]) {
 this.value = Arrays.copyOf(value, value.length);
}

為了保證不可變性，并沒有直接賦值，this.value = value。而是使用 Arrays.copy() 方法將參數(shù)中的字符數(shù)組內(nèi)容拷貝到 value[] 中。防止參數(shù)中字符數(shù)組的改變破壞了不可變性。

第二個：

public String(char value[], int offset, int count) {
 if (offset < 0) {
 throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset);
 }
 if (count <= 0) {
 if (count < 0) {
  throw new StringIndexOutOfBoundsException(count);
 }
 if (offset <= value.length) {
  this.value = "".value;
  return;
 }
 }
 // Note: offset or count might be near -1>>>1.
 if (offset > value.length - count) {
 throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset + count);
 }
 this.value = Arrays.copyOfRange(value, offset, offset+count);
}

和上面的構(gòu)造函數(shù)一樣，只是截取了參數(shù)中字符數(shù)組的一部分來構(gòu)建字符串。

第三個：

/*
 * Package private constructor which shares value array for speed.
 * this constructor is always expected to be called with share==true.
 * a separate constructor is needed because we already have a public
 * String(char[]) constructor that makes a copy of the given char[].
 *
 * 僅當(dāng)前包可使用。
 * 直接將 this.value 指向參數(shù)中的 char[]，不再進(jìn)行 copy 操作
 * 性能好，節(jié)省內(nèi)存，外包不可使用，也不會破壞不可變性
 */
 String(char[] value, boolean share) {
 // assert share : "unshared not supported";
 this.value = value;
 }

這里的 share 一般只能為 true，雖然并沒有使用到。增加這個參數(shù)是為了和第一個構(gòu)造函數(shù)區(qū)分開來，表示 value[] 共享了參數(shù)中的字符數(shù)組，因?yàn)檫@里是直接賦值的，并沒有使用 Arrays.copy() 。那這不是破壞了 String 的不可變性嗎？其實(shí)并沒有，因?yàn)槟愀緵]法調(diào)用這個構(gòu)造函數(shù)，它的包私有的。但是在 JDK 內(nèi)部你可以發(fā)現(xiàn)它的身影，

沒有了 copy 操作，大幅提高了效率。但是為了保證不可變性，外部是不能調(diào)用的。

其他構(gòu)造函數(shù)

// 基于代碼點(diǎn)
public String(int[] codePoints, int offset, int count) {} 

// 基于 StringBuffer，需要同步
public String(StringBuffer buffer) {
 synchronized(buffer) {
 this.value = Arrays.copyOf(buffer.getValue(), buffer.length());
 }
}

// 基于 StringBuilder，不需要同步
public String(StringBuilder builder) {
 this.value = Arrays.copyOf(builder.getValue(), builder.length());
}

方法

回頭再看一下 String 的不可變性，value[] 是 private final 修飾的，這樣就真的可以保證不可變嗎？

final char[] value = {'a','b','c'};
value[1] = 'd';

這是不是就輕而易舉的打破了不可變性？final value[] 只能保證其引用不能再指向其他內(nèi)存地址，但是其真正的值還是可以改變的。所以僅僅通過一個 final 是無法保證其值不變的，如果類本身提供方法修改實(shí)例值，那就沒有辦法保證不變性了。對應(yīng)原則中第一條，不要提供任何會修改對象狀態(tài)的方法，String 百分之百做到了這一點(diǎn)，它沒有對外提供任何可以修改 value 的方法。

在 String 中有許多對字符串進(jìn)行操作的函數(shù)，例如 substring concat replace replaceAll 等等，這些函數(shù)是否會修改類中的 value 域呢？下面就來看一看源碼。

substring(int beginIndex)

public String substring(int beginIndex) {
 if (beginIndex < 0) {
 throw new StringIndexOutOfBoundsException(beginIndex);
 }
 int subLen = value.length - beginIndex;
 if (subLen < 0) {
 throw new StringIndexOutOfBoundsException(subLen);
 }
 // beginIndex 不為 0， 返回一個 新的 String 對象
 return (beginIndex == 0) ? this : new String(value, beginIndex, subLen); 
}

concat(String str)

public String concat(String str) {
 int otherLen = str.length();
 if (otherLen == 0) {
 return this;
 }
 int len = value.length;
 char buf[] = Arrays.copyOf(value, len + otherLen);
 str.getChars(buf, len);
 return new String(buf, true); // 返回新的 String 對象
}

replace(char oldChar, char newChar)

public String replace(char oldChar, char newChar) {
 if (oldChar != newChar) {
 int len = value.length;
 int i = -1;
 char[] val = value; /* avoid getfield opcode */

  while (++i < len) {
  if (val[i] == oldChar) {
   break;
  }
  }
  if (i < len) {
  char buf[] = new char[len];
  for (int j = 0; j < i; j++) {
   buf[j] = val[j];
  }
  while (i < len) {
   char c = val[i];
   buf[i] = (c == oldChar) ? newChar : c;
   i++;
  }
  return new String(buf, true); // 返回新的 String 對象
  }
 }
 return this;
}

String 類的方法實(shí)現(xiàn)都相對簡單，但是無一例外，它們絕對不會去修改 value[] 的值，需要返回 String 對象的話，都會重新 new 一個。正像原則第五條中所說的，確保對于任何可變組件的互斥訪問。 如果類具有指向可變對象的域，則必須確保該類的客戶端無法獲得指向這些對象的引用。

String.intern()

public native String intern();

這個方法比較特殊，是個本地方法。如果該字符串在常量池中已經(jīng)存在，直接返回其引用。如果不存在，存入常量池再返回其引用。在下一篇文章中會進(jìn)行詳細(xì)介紹。

其他方法的源碼就不列舉了，感興趣的可以到我上傳的 jdk 源碼 看看，String.java，添加了部分注釋。

不可變類的好處

從頭到尾都在說不可變類，那么它有哪些好處呢？

• 不可變對象比較簡單。
• 不可變對象本質(zhì)上是線程安全的，它們不要求同步。不可變對象可以被自由地共享。
• 不僅可以共享不可變對象，甚至也可以共享它們的內(nèi)部信息。
• 不可變對象為其他對象提供了大量的構(gòu)件。無論是可變的還是不可變的對象。
• 不可變對象無償?shù)靥峁┝耸〉脑有浴?/li>

不可變類真正唯一的缺點(diǎn)是，對于每個不同的值都需要一個單獨(dú)的對象。所以當(dāng)需要大量字符串對象的時候，String 就成了性能瓶頸，這也催生了 StringBuffer 和 StringBuilder。后面會單獨(dú)分析。

String 真的不可變嗎 ？

學(xué)習(xí)就是自己不斷打自己臉的過程。真的沒有辦法修改 String 對象的值嗎？答案肯定是否定的，反射機(jī)制可以做到很多平常做不到的事情。

String str = "123";
System.out.println(str);
Field field = String.class.getDeclaredField("value");
field.setAccessible(true);
char[] value = (char[]) field.get(str);
value[1] = '3';
System.out.println(str);

執(zhí)行結(jié)果：

123
133

通過反射，的確修改了 value[] 的值。

總結(jié)

借著 String 源碼，說了說 不可變類。簡單總結(jié)一下 String 做了哪些措施來保證不可變性：

• value[] 使用 private final 修飾
• 構(gòu)造函數(shù)中復(fù)制實(shí)參的值給 value[]
• 不對外提供任何修改 value[] 值的方法
• 需要返回 String 的方法，絕不返回原對象，都是重新 new 一個 String 返回

下一篇還是寫 String , 說說 String 在內(nèi)存中的位置和字符串常量池的一些知識，以及 String 相關(guān)的常見面試題。

好了，以上就是這篇文章的全部內(nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價值，謝謝大家對億速云的支持。