Java基础扫盲（二）

String为什么设计为不可变的

关于String为什么设计为不可变的，可以从缓存、安全性、线程安全和性能等角度出发的。

缓存：

字符串是使用最广泛的数据结构。大量的字符串的创建是非常耗费资源的，所以，Java提供了对字符串的缓存功能，可以大大的节省堆空间。

JVM中专门开辟了一部分空间来存储Java字符串，那就是字符串池。

通过字符串池，两个内容相同的字符串变量，可以从池中指向同一个字符串对象，从而节省了关键的内存资源

String s = "abcd";
String s2 = s;

对于这个例子，s和s2都表示"abcd"，所以他们会指向字符串池中的同一个字符串对象：

但是，之所以可以这么做，主要是因为字符串的不变性，如果字符串是可变的，我们一旦修改了s的内容，那必然导致s2的内容也被动的改变了。

hashcode缓存

由于字符串对象被广泛地用作数据结构，它们也被广泛地用于哈希实现，如HashMap、HashTable、HashSet等。在对这些散列实现进行操作时，经常调用hashCode()方法。

不可变性保证了字符串的值不会改变。因此，hashCode()方法在String类中被重写，以方便缓存，这样在第一次hashCode()调用期间计算和缓存散列，并从那时起返回相同的值。

安全性：

字符串在Java应用程序中广泛用于存储敏感信息，如用户名、密码、连接url、网络连接等。JVM类加载器在加载类的时也广泛地使用它。

因此，保护String类对于提升整个应用程序的安全性至关重要。

当我们在程序中传递一个字符串的时候，如果这个字符串的内容是不可变的，那么我们就可以相信这个字符串中的内容。

但是，如果是可变的，那么这个字符串内容就可能随时都被修改。那么这个字符串内容就完全不可信了。这样整个系统就没有安全性可言了。

线程安全性：

不可变会自动使字符串成为线程安全的，因为当从多个线程访问它们时，它们不会被更改。

因此，一般来说，不可变对象可以在同时运行的多个线程之间共享。它们也是线程安全的，因为如果线程更改了值，那么将在字符串池中创建一个新的字符串，而不是修改相同的值。因此，字符串对于多线程来说是安全的。

性能：

字符串池、hashcode缓存等，都是提升性能的体现。

因为字符串不可变，所以可以用字符串池缓存，可以大大节省堆内存。而且还可以提前对hashcode进行缓存，更加高效

由于字符串是应用最广泛的数据结构，提高字符串的性能对提高整个应用程序的总体性能有相当大的影响。

String有长度限制吗

String时有长度限制的，编译期和运行期不一样。

编译期需要用CONSTANT_Utf8_info 结构用于表示字符串常量的值，而这个结构是有长度限制，他的限制是65535。

运行期，String的length参数是Int类型的，那么也就是说，String定义的时候，最大支持的长度就是int的最大范围值。根据Integer类的定义，java.lang.Integer#MAX_VALUE的最大值是2^31 - 1;

常量池限制：

javac是将Java文件编译成class文件的一个命令，那么在Class文件生成过程中，就需要遵守一定的格式。

根据《Java虚拟机规范》中常量池的定义，CONSTANT_String_info 用于表示 java.lang.String 类型的常量对象，格式如下：

CONSTANT_String_info {
    u1 tag;
    u2 string_index;
}

其中，string_index 项的值必须是对常量池的有效索引， 常量池在该索引处的项必须是 CONSTANT_Utf8_info 结构，表示一组 Unicode 码点序列，这组 Unicode 码点序列最终会被初始化为一个 String 对象。CONSTANT_Utf8_info 结构用于表示字符串常量的值：

CONSTANT_Utf8_info {
    u1 tag;
    u2 length;
    u1 bytes[length];
}

其中，length则指明了 bytes[]数组的长度，其类型为u2，u2表示两个字节的无符号数，那么1个字节有8位，2个字节就有16位。16位无符号数可表示的最大值位2^16 - 1 = 65535。也就是说Class文件中常量池的格式规定了，其字符串常量的长度不能超过65535。

private void checkStringConstant(DiagnosticPosition var1, Object var2) {
    if (this.nerrs == 0 && var2 != null && var2 instanceof String && ((String)var2).length() >= 65535) {
        this.log.error(var1, "limit.string", new Object[0]);
        ++this.nerrs;
    }
}

代码中可以看出，当参数类型为String，并且长度大于等于65535的时候，就会导致编译失败。

运行期限制：

上面提到的这种String长度的限制是编译期的限制，也就是使用String s= “”;这种字面值方式定义的时候才会有的限制。String类中有很多重载的构造函数，其中有几个是支持用户传入length来执行长度的：

public String(byte bytes[], int offset, int length)

这里面的参数length是使用int类型定义的，那么也就是说，String定义的时候，最大支持的长度就是int的最大范围值。根据Integer类的定义，java.lang.Integer#MAX_VALUE的最大值是2^31 - 1;这个值约等于4G，在运行期，如果String的长度超过这个范围，就可能会抛出异常。(在jdk 1.9之前）。int 是一个 32 位变量类型，取正数部分来算的话，他们最长可以有

2^31-1 =2147483647 个 16-bit Unicodecharacter
 
2147483647 * 16 = 34359738352 位
34359738352 / 8 = 4294967294 (Byte)
4294967294 / 1024 = 4194303.998046875 (KB)
4194303.998046875 / 1024 = 4095.9999980926513671875 (MB)
4095.9999980926513671875 / 1024 = 3.99999999813735485076904296875 (GB)

大约有4GB左右。

为什么JDK9将String的char[]改为byte[]

在Java 9之前，字符串内部是由字符数组char[] 来表示的。

/** The value is used for character storage. */
    private final char value[];

由于Java内部使用UTF-16，每个char占据两个字节，即使某些字符可以用一个字节（LATIN-1）表示，但是也仍然会占用两个字节。所以，JDK 9就对他做了优化。

Latin1（又称ISO 8859-1）是一种字符编码格式，用于表示西欧语言，包括英语、法语、德语、西班牙语、葡萄牙语、意大利语等。它由国际标准化组织（ISO）定义，并涵盖了包括ASCII在内的128个字符。 Latin1编码使用单字节编码方案，也就是说每个字符只占用一个字节，其中第一位固定为0，后面的七位可以表示128个字符。这样，Latin1编码可以很方便地与ASCII兼容。

这就是Java 9引入了"Compact String"的概念：每当我们创建一个字符串时，如果它的所有字符都可以用单个字节（Latin-1）表示，那么将会在内部使用字节数组来保存一半所需的空间，但是如果有一个字符需要超过8位来表示，Java将继续使用UTF-16与字符数组。

泛型中K,T,V,E,Object,?等都代表什么含义

E – Element (在集合中使用，因为集合中存放的是元素)

T – Type（Java 类）

K – Key（键）

V – Value（值）

N – Number（数值类型）

？ – 表示不确定的java类型（无限制通配符类型）

S、U、V – 这几个有时候也有，这些字母本身没有特定的含义，它们只是代表某种未指定的类型。一般认为和T差不多。

Object – 是所有类的根类，任何类的对象都可以设置给该Object引用变量，使用的时候可能需要类型强制转换，但是用使用了泛型T、E等这些标识符后，在实际用之前类型就已经确定了，不需要再进行类型强制转换。

示例1：使用T作为泛型类型参数，表示任何类型

// 示例1：使用T作为泛型类型参数，表示任何类型
public class MyGenericClass<T> {
    private T myField;
 
    public MyGenericClass(T myField) {
        this.myField = myField;
    }
 
    public T getMyField() {
        return myField;
    }
}

示例2：使用K、V作为泛型类型参数，表示键值对中的键和值的类型

// 示例2：使用K、V作为泛型类型参数，表示键值对中的键和值的类型
public class MyMap<K, V> {
    private List<Entry<K, V>> entries;
 
    public MyMap() {
        entries = new ArrayList<>();
    }
 
    public void put(K key, V value) {
        Entry<K, V> entry = new Entry<>(key, value);
        entries.add(entry);
    }
 
    public V get(K key) {
        for (Entry<K, V> entry : entries) {
            if (entry.getKey().equals(key)) {
                return entry.getValue();
            }
        }
        return null;
    }
 
    private class Entry<K, V> {
        private K key;
        private V value;
 
        public Entry(K key, V value) {
            this.key = key;
            this.value = value;
        }
 
        public K getKey() {
            return key;
        }
 
        public V getValue() {
            return value;
        }
    }
}

示例3：使用E作为泛型类型参数，表示集合中的元素类型

// 示例3：使用E作为泛型类型参数，表示集合中的元素类型
public class MyList<E> {
    private List<E> elements;
 
    public MyList() {
        elements = new ArrayList<>();
    }
 
    public void add(E element) {
        elements.add(element);
    }
 
    public E get(int index) {
        return elements.get(index);
    }
}

示例4：使用Object作为泛型类型参数，表示可以接受任何类型

// 示例4：使用Object作为泛型类型参数，表示可以接受任何类型
public class MyGenericClass {
    private Object myField;
 
    public MyGenericClass(Object myField) {
        this.myField = myField;
    }
 
    public Object getMyField() {
        return myField;
    }
}

怎么修改一个类中使用了private修饰的String类型的变量

在Java中，String 类型确实是不可变的。这意味着一旦一个 String 对象被创建，其内容就不能被改变。任何看似修改了 String 值的操作实际上都是创建了一个新的 String 对象。

当然，如果不考虑这个可不可变的问题，新建一个也算改了的话。那么就有以下几种方式：

1、在Java中，private 访问修饰符限制了只有类本身可以访问和修改其成员变量。如果需要在类的外部修改一个 private 修饰的 String 参数，通常有几种方法：

1. 使用 Setter 方法

这是最常用且最符合对象导向设计原则的方法。在类内部提供一个公开的 setter 方法来修改 private 变量的值。

public class MyClass {
    private String myString;
 
    public void setMyString(String value) {
        this.myString = value;
    }
}
 
// 使用
MyClass obj = new MyClass();
obj.setMyString("new value");

2. 使用反射

如果没有 setter 方法可用，可以使用反射。这种方法可以突破正常的访问控制规则，但应谨慎使用，因为它破坏了封装性，增加了代码的复杂性和出错的可能性。并且性能并不好。

import java.lang.reflect.Field;
 
public class MyClass {
    private String myString = "initial value";
}
 
// 使用反射修改
MyClass obj = new MyClass();
try {
    Field field = MyClass.class.getDeclaredField("myString");
    field.setAccessible(true); // 使得private字段可访问
    field.set(obj, "new value");
} catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) {
    e.printStackTrace();
}